[C++]D&A 5 Collection with Inheritance

本文详细介绍了C++中的虚继承与多态的概念及应用,包括虚继承如何解决多重继承带来的二义性问题,纯虚函数与抽象类的定义及其在实现多态中的作用,以及虚析构函数的重要性。

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D&A 5 Collection with Inheritance

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Collection & list都是抽象类,分别声明不同的函数。
此题要求完成对以上类的实现。

题目要求文件和答案

知识点补充:

虚继承

虚继承 是面向对象编程中的一种技术,是指一个指定的基类,在继承体系结构中,将其成员数据实例共享给也从这个基类型直接或间接派生的其它类。

举例来说:假如类A和类B各自从类X派生(非虚继承且假设类X包含一些数据成员),且类C同时多继承自类A和B,那么C的对象就会拥有两套X的实例数据(可分别独立访问,一般要用适当的消歧义限定符)。但是如果类A与B各自虚继承了类X,那么C的对象就只包含一套类X的实例数据。对于这一概念典型实现的编程语言是C++。

这一特性在多重继承应用中非常有用,可以使得虚基类对于由它直接或间接派生的类来说,拥有一个共同的基类对象实例。避免由于带有歧义的组合而产生的问题(如“菱形继承问题”)。其原理是,间接派生类(C)穿透了其父类(上面例子中的A与B),实质上直接继承了虚基类X。
(摘自Wikipedia)

image

class Animal {
 public:
  virtual void eat();
};

// Two classes virtually inheriting Animal:
class Mammal : public virtual Animal {
 public:
  virtual void breathe();
};

class WingedAnimal : public virtual Animal {
 public:
  virtual void flap();
};

// A bat is still a winged mammal
class Bat : public Mammal, public WingedAnimal {
};

Bat::WingedAnimal中的Animal部分现在和Bat::Mammal中的Animal部分是相同的了,这也就是说Bat现在有且只有一个共享的Animal部分,所以对于Bat::eat()的调用就不再有歧义了。另外,直接将Bat实例分派给Animal实例的过程也不会产生歧义了,因为现在只存在一种可以转换为Animal的Bat实体了。

因为Mammal实例的起始地址和其Animal部分的内存偏移量直到程序运行分配内存时才会明确,所以虚继承应用给Mammal和WingedAnimal创建了虚表(vtable)指针(“vpointer”)。因此“Bat”包含vpointer, Mammal, vpointer, WingedAnimal, Bat, Animal。这里共有两个虚表指针,其中最派生类的对象地址所指向的虚表指针,指向了最派生类的虚表;另一个虚表指针指向了WingedAnimal的类的虚表。Animal虚继承而来。在上面的例子里,一个分配给Mammal,另一个分配给WingedAnimal。因此每个对象占用的内存增加了两个指针的大小,但却解决了Animal的歧义问题。所有Bat类的对象都包含这两个虚指针,但是每一个对象都包含唯一的Animal对象。假设一个类Squirrel声明继承了Mammal,那么Squirrel中的Mammal对象的虚指针和Bat中的Mammal对象的虚指针是不同的,尽管他们占用的内存空间大小是相同的。这是因为在内存中Mammal到Animal的距离是相同的。虚表不同而实际上占用的空间相同。

纯虚函数:

纯虚函数或纯虚方法是一个需要被非抽象派生类执行的虚函数. 包含纯虚方法的类被称作抽象类; 抽象类不能被直接调用, 一个抽象基类的一个子类只有在所有的纯虚函数在该类(或其父类)内给出实现时, 才能直接调用. 纯虚方法通常只有声明(签名)而没有定义(实现).

(From Wikipedia)

在许多情况下,在基类中不能对虚函数给出有意义的实现,而把它声明为纯虚函数,它的实现留给该基类的派生类去做。这就是纯虚函数的作用。

纯虚函数可以让类先具有一个操作名称,而没有操作内容,让派生类在继承时再去具体地给出定义。凡是含有纯虚函数的类叫做抽象类。这种类不能声明对象,只是作为基类为派生类服务。除非在派生类中完全实现基类中所有的的纯虚函数,否则,派生类也变成了抽象类,不能实例化对象。

一个类维护一个虚函数相关的表–vtable(__vfptr指向它),函数声明前面包含关键字“virtual”的函数,就会创建一个指向该函数的指针(函数指针)被存入vtable中。虚函数表的作用是用来实现多态,但同时也带来了执行效率和额外内存空间的增加。

虚基类中的虚析构函数

我们先来看看一下代码:


#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
    A()
    {
        cout <<"A..."<<endl;
    }
    ~A()
    {
        cout <<"~A..."<<endl;    
    }
};

class B :public A
{
public :
    B()
    {
        cout <<"B..."<<endl;
    }
    ~B()
    {
        cout <<"~B..."<<endl;

    }    
};

int main()
{
    A *a = new B();
    delete a;

    return 0 ;
}

输出:

A…

B…

~A

派生类的析构函数未被调用,为什么呢?

派生类继承自基类,那么基类就只会存在于派生类中,直到派生类调用析构函数后。

假定:基类的析构函数调用比派生类要早,会造成的一种情况就是类成员不存在了,而类本身却还在,但是类存在的情况下,类成员应该还存在。所以这就矛盾了,所以派生类的析构函数会先被调用,基类的析构函数再被调用。

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
    A()
    {
        cout <<"A..."<<endl;
    }
    virtual ~A()
    {
        cout <<"~A..."<<endl;    
    }
};

class B :public A
{
public :
    B()
    {
        cout <<"B..."<<endl;
    }
    ~B()
    {
        cout <<"~B..."<<endl;

    }    
};

int main()
{
    A *a = new B();
    delete a;

    return 0 ;
}
A…

B…

~B…

~A

总结:如果某个类不包含虚函数,那一般是表示它将不作为一个基类来使用。当一个类不准备作为基类使用时,就不要定义虚析构函数了,因为它会增加一个虚函数表,使得对象的体积翻倍,还有可能降低其可移值性。

所以基本的一条是:无故的声明虚析构函数和永远不去声明一样是错误的。

当且仅当类里包含至少一个虚函数的时候,才去声明虚析构函数。

抽象类是准备被用做基类的,基类必须要有一个虚析构函数,纯虚函数会产生抽象类,所以在想要成为抽象类的类里声明一个纯虚析构函数。

定义一个函数为虚函数,不代表该函数未被实现,只是为了来实现多态。

定义一个函数为纯虚函数,才表示函数未被实现 ,定义它是为了实现一个接口,起一个规范作用。继承抽象类的派生类要实现这个函数…

意外情况

链接错误

在第一次写完代码时,Xcode给出了这么个错误:linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

翻阅了很多资料之后发现,原来是有一个函数重名了,而且他们同时都被include到main,如此就会出现链接错误。

栈溢出:

栈溢出是由于C语言系列没有内置检查机制来确保复制到缓冲区的数据不得大于缓冲区的大小,因此当这个数据足够大的时候,将会溢出缓冲区的范围。

栈溢出就是缓冲区溢出的一种。 由于缓冲区溢出而使得有用的存储单元被改写,往往会引发不可预料的后果。程序在运行过程中,为了临时存取数据的需要,一般都要分配一些内存空间,通常称这些空间为缓冲区。如果向缓冲区中写入超过其本身长度的数据,以致于缓冲区无法容纳,就会造成缓冲区以外的存储单元被改写,这种现象就称为缓冲区溢出。缓冲区​长度一般与用户自己定义的缓冲变量的类型有关。

由于缓冲区溢出而使得有用的存储单元被改写,往往会引发不可预料的后果。向这些单元写入任意的数据,一般只会导致程序崩溃之类的事故,对这种情况我们也至多说这个程序有bug。但如果向这些单元写入的是精心准备好的数据,就可能使得程序流程被劫持,致使不希望的代码被执行,落入攻击者的掌控之中,这就不仅仅是bug,而是漏洞(exploit)了。

当数据太大而代码用了太多的栈内存时,就会runtime error。虽然在自己的IDE上并不会出错。
image

总结:

以上就是整道题中出现的各种知识点和问题。总的来说,此题还是比较难的。需要对代码的效率把握的很好,适时重构代码。

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