C++菱形继承问题汇总及其类对象模型

1、菱形继承定义

在C++中,菱形继承是一种特定的多重继承结构,呈现出类似菱形的形状,以下是详细介绍:

定义

菱形继承涉及到四个类,首先有一个基类,然后有两个类分别继承自这个基类,最后还有一个类同时继承前面那两个派生类,从类的继承层次图来看,形状如同菱形,所以被称为菱形继承。

例如以下代码示例:

#include<iostream>
using namespace std;
class Base 
{
public:
	Base(int p_val):ma(p_val){cout<<"Base()"<<endl;}
	~Base(){cout<<"~Base"<<endl;}
public:
	int ma;
};

class Derived1 : public Base
{
public:
	Derived1(int p_val):Base(p_val) , mb(p_val){cout<<"Derived1()"<<endl;}
	~Derived1(){cout<<"~Derived1"<<endl;}
public:
	int mb;
};

class Derived2 : public Base
{
public:
	Derived2(int p_val):Base(p_val),mc(p_val){cout<<"Derived2()"<<endl;}
	~Derived2(){cout<<"~Base"<<endl;}
public:
	int mc;
};

class FinalDerived : public Derived1, public Derived2
{
public:
	FinalDerived(int p_val):Derived1(p_val ) ,Derived2(p_val) ,md(p_val){cout<<"FinalDerived()"<<endl;}
	~FinalDerived(){cout<<"~FinalDerived"<<endl;}
public:
	int md;
};
int main()
{
	FinalDerived s(20);
	s.Derived1::ma = 100;
	return 0;
}

在这个例子中,Base是基类,Derived1Derived2是从Base派生出来的两个类,而FinalDerived则是同时继承了Derived1Derived2的最终派生类,整体构成了菱形继承结构。

特点

  • 多重继承特性体现:体现了C++中多重继承的特点,即一个类可以同时继承多个类,像FinalDerived类就继承了两个不同的父类,能从多个父类那里获取成员(成员变量和成员函数等),理论上可以扩展功能、组合不同的行为模式等。
  • 继承关系复杂:由于涉及多个继承路径,类之间的关系相对复杂,相比于简单的单继承,在代码理解、维护以及处理继承相关问题(如成员访问、构造函数调用等)时都更具挑战性。

菱形继承虽然丰富了类的继承和组合方式,但也容易带来如数据冗余、二义性等一系列问题,后续往往需要通过虚继承等手段来进行优化和解决这些问题,以使代码更加合理、稳定且易于维护。

问题1、数据冗余

以上代码查看类对象布局如下

1>  class Derived1	size(8):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Base)
1>   0	| | ma
1>  	| +---
1>   4	| mb
1>  	+---
1>  
1>  
1>  
1>  class Derived2	size(8):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Base)
1>   0	| | ma
1>  	| +---
1>   4	| mc
1>  	+---
1>  
1>  
1>  
1>  class FinalDerived	size(20):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Derived1)
1>  	| | +--- (base class Base)
1>   0	| | | ma
1>  	| | +---
1>   4	| | mb
1>  	| +---
1>  	| +--- (base class Derived2)
1>  	| | +--- (base class Base)
1>   8	| | | ma
1>  	| | +---
1>  12	| | mc
1>  	| +---
1>  16	| md
1>  	+---

发现子类对象FinalDerived 里包含两个基类Base 的成员变量,当然这种语法没有问题,访问容易产生二义性,我们可以增加作用域来进行避免

	FinalDerived s(20);
	s.Derived1::ma = 100;

问题1解决办法

对于菱形问题产生的数据冗余的问题,一般采用虚继承的方式来解决,且虚继承是指直接继承存在冗余数据的类时采用虚继承,上述代码derived1 derived12继承 Base 时要采用虚继承,采用虚继承时会产生Vbtable 虚基类表 , 虚基类表里存放的是虚基类成员变量相对于本虚基类表的偏移量。
修改后代码如下

#include<iostream>
using namespace std;
class Base 
{
public:
	Base(int p_val):ma(p_val){cout<<"Base()"<<endl;}
	~Base(){cout<<"~Base"<<endl;}
public:
	int ma;
};

class Derived1 : virtual public Base
{
public:
	Derived1(int p_val):Base(p_val) , mb(p_val){cout<<"Derived1()"<<endl;}
	~Derived1(){cout<<"~Derived1"<<endl;}
public:
	int mb;
};

class Derived2 : virtual public Base
{
public:
	Derived2(int p_val):Base(p_val),mc(p_val){cout<<"Derived2()"<<endl;}
	~Derived2(){cout<<"~Base"<<endl;}
public:
	int mc;
};

class FinalDerived : public Derived1, public Derived2
{
public:
	FinalDerived(int p_val):Base(p_val) , Derived1(p_val ) ,Derived2(p_val) ,md(p_val){cout<<"FinalDerived()"<<endl;}
	~FinalDerived(){cout<<"~FinalDerived"<<endl;}
public:
	int md;
};
int main()
{
	FinalDerived s(20);
	s.Derived1::ma = 100;
	return 0;
}

类对象模型如下:

1>  
1>  class Derived2	size(12):
1>  	+---
1>   0	| {vbptr}
1>   4	| mc
1>  	+---
1>  	+--- (virtual base Base)
1>   8	| ma
1>  	+---
1>  
1>  Derived2::$vbtable@:
1>   0	| 0
1>   1	| 8 (Derived2d(Derived2+0)Base)
1>  
1>  
1>  vbi:	   class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDisp
1>              Base       8       0       4 0
1>  
1>  
1>  class FinalDerived	size(24):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Derived1)
1>   0	| | {vbptr}
1>   4	| | mb
1>  	| +---
1>  	| +--- (base class Derived2)
1>   8	| | {vbptr}
1>  12	| | mc
1>  	| +---
1>  16	| md
1>  	+---
1>  	+--- (virtual base Base)
1>  20	| ma
1>  	+---
1>  
1>  FinalDerived::$vbtable@Derived1@:
1>   0	| 0
1>   1	| 20 (FinalDerivedd(Derived1+0)Base)
1>  
1>  FinalDerived::$vbtable@Derived2@:
1>   0	| 0
1>   1	| 12 (FinalDerivedd(Derived2+0)Base)

虚继承的类对象布局规则如下:
1、按照正常布局进行布局
2、将虚基类数据放在最下面
3、将原来虚基类的地方放vtable
4、如果最下面已经存在虚基类数据,则不重复放,直接把虚基类数据改成vtable

2、子类构造函数

接着上文 , 那么问题来了,看子类的构造函数

FinalDerived(int p_val):Base(p_val) , Derived1(p_val ) ,Derived2(p_val) ,md(p_val){cout<<"FinalDerived()"<<endl;}

此时,为什么加了一个构造虚基类呢( Base(p_val) ) 如果不加,编译不通过,没有虚继承的时候就没有加,代码编译是OK的,但是为什么加了虚继承之后编译不通过呢???

再次查看类对象模型

1>  class FinalDerived	size(24):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Derived1)
1>   0	| | {vbptr}
1>   4	| | mb
1>  	| +---
1>  	| +--- (base class Derived2)
1>   8	| | {vbptr}
1>  12	| | mc
1>  	| +---
1>  16	| md
1>  	+---
1>  	+--- (virtual base Base)
1>  20	| ma
1>  	+---

此时,我们可以看到,base ::ma靠在最左侧 , 此时FinalDerived 能看到的对象为Derived1 Derived2 和Base , 其他的看不到,那么Base的构造就要由FinalDerived 来负责,这点很容易出错

除了菱形继承有以上问题,半圆形继承也存在以上问题,java为了避免以上问题,不提供多重继承
在这里插入图片描述

vbtable

vbptr虚基类表指针指向的虚基类表,
第一行vbptr相对于子对象起始部分的偏移量,
第二行是子对象的成员变量相对于子对象的起始部分的偏移量
在这里插入图片描述

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