【C++】菱形继承为何会引发二义性？虚继承如何破解？

Ne0inhk

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【C++】菱形继承为何会引发二义性？虚继承如何破解？



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前言：在之前的文章中，我们已经介绍了继承的相关内容，但有些重要概念尚未涉及，例如菱形继承、虚继承以及二义性等问题。本文将重点探讨这些内容。加粗样式

文章目录

一、多继承及菱形继承问题

1.1单继承

单继承：⼀个派⽣类只有⼀个直接基类时称这个继承关系为单继承。

第一种情形：

在这里插入图片描述
#include<iostream>#include<string>usingnamespace std;classPerson{public:voidprint(){ cout <<"姓名:"<< _name << endl; cout <<"年龄:"<< _age << endl;} string _name="张三";int _age=18;};classTeacher:publicPerson{public: string _subject;//科目int _id;//职工编号voidprintTeacher(){ cout <<"姓名:"<< _name << endl; cout <<"年龄:"<< _age << endl; cout <<"职工编号:"<< _id << endl;}};classStudent:publicTeacher{public:int _num;//学号voidprintStudent(){ cout <<"姓名:"<< _name << endl; cout <<"年龄:"<< _age << endl; cout <<"学号:"<< _num << endl; cout <<"科目:"<< _subject << endl;}};intmain(){ Student s; s._name ="李四";//继承自person s._age =19;//继承自person s._num =241601;//继承自person s._subject ="数学";//继承自Teacher s.printStudent();return0;}
在这里插入图片描述

1.2多继承

多继承：⼀个派⽣类有两个或以上直接基类时称这个继承关系为多继承，多继承对象在内存中的模型是，先继承的基类在前⾯，后⾯继承的基类在后⾯，派⽣类成员在放到最后⾯。如下图所示：

在这里插入图片描述


当我们在为学生和教师设计一个共同的基类"Person"时，这种继承结构就会形成菱形继承关系，因其类关系图呈现菱形所以叫菱形继承。 如下图：

在这里插入图片描述


代码示例：

classPerson{public: string _name;// 姓名};classStudent:publicPerson{protected:int _num;//学号};classTeacher:publicPerson{protected:int _id;// 职工编号};//Assistant继承了两个类classAssistant:publicStudent,publicTeacher{protected: string _majorCourse;// 主修课程};intmain(){// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确 Assistant a;//a._name = "peter";// 需要显示指定访问哪个基类的成员可以解决二义性问题，但是数据冗余问题无法解决 a.Student::_name ="xxx"; a.Teacher::_name ="yyy";return0;}
在这里插入图片描述
通过上面的运行结果我们发现，菱形继承存在两个问题：(1)二义性问题；(2)数据冗余问题。为什么会产生二义性问题？
其实是因为 Anssistant继承了两个类 ，而这两个类各自都包含了一份Person类，所以在访问Anssistant的_name时编译器不知道是访问Teacher的Person类中的_name还是Student的Person类中的_name。这就导致了_name的访问不明确。
解决二义性的办法：指定类域(是Teacher类的Person还是Student类的Person)数据冗余问题很好理解，就是Assistant中包含了两个Person类的信息，正常情况下应该只包含一份，但是这里包含两份所以冗余。
解决冗余的办法：虚继承！

1.3虚继承

有了多继承就可能有菱形继承，而菱形继承又存在二义性和数据冗余等问题。所以C++就引入了虚继承来解决数据的冗余问题。但是菱形虚拟继承它的底层实现比较复杂，性能也会有损失，所以最好不要设计菱形继承。

菱形虚拟继承通过在中间类声明中添加virtual关键字实现，下面来看代码

classPerson{public: string _name;// 姓名};classStudent:vritualpublicPerson{protected:int _num;//学号};classTeacher:virtualpublicPerson{protected:int _id;// 职工编号};//Assistant继承了两个类classAssistant:publicStudent,publicTeacher{protected: string _majorCourse;// 主修课程};intmain(){ Assistant a; a._name ="peter";//这时候再去访问就不会报错了return0;}
在这里插入图片描述

采用虚继承的方式，相当于将Teacher和Student类中的Person部分提取到一个公共空间。因此，通过Assistant对象a访问的_name成员，能够明确指向Person类中的_name。这也解决了数据的冗余性问题。

在这里插入图片描述

1.3.1为什么通过虚继承可以将Person部分成员提取出来？

菱形虚拟继承的原理：

虚继承通过共享基类实例实现成员提取。当使用虚继承时，派生类会包含一个指向共享基类实例的指针（虚基类指针），而非直接嵌入基类成员。这使得不同路径继承的虚基类在最终派生类中指向同一内存地址。

 Person / \ vptr vptr / \ Teacher Student \ / vptr vptr \ / Anssistant
虚继承通过虚基类表（vbtable）实现偏移量管理。 每个包含虚基类的派生类都会生成虚基类表，记录虚基类相对于该派生类起始地址的偏移量。这使得无论通过哪条继承路径访问，都能定位到同一个基类实例。

内存布局：

Anssistant对象内存布局： +-------------------+ | Teacher成员数据 | +-------------------+ | Student成员数据 | +-------------------+ | Anssistant新数据 | +-------------------+ | Person共享数据 | <-- 所有vptr指向此处 +-------------------+

注意：

  • Person只存在一份
  • 每个虚继承的中间类(Teacher、Student)内部不直接包含Person成员(被提取出来了)而是包含一个指向最后Person共享数据处的指针。
  • 当Anssistant被实例化时，最终在最后生成一个Person共享数据。
  • 所有通过虚继承的类访问Person时，都会通过指针+偏移量访问到Person的共享数据区，从而访问Person的成员。

1.3.2虚继承的构造初始化顺序

classPerson{public:Person(constchar* name):_name(name){} string _name;// 姓名};classStudent:virtualpublicPerson{public:Student(constchar* name,int num):Person(name),_num(num){}protected:int _num;//学号};classTeacher:virtualpublicPerson{public:Teacher(constchar* name,int id):Person(name),_id(id){}protected:int _id;// 职⼯编号};classAssistant:publicStudent,publicTeacher{public:Assistant(constchar* name1,constchar* name2,constchar* name3):Person(name3),Student(name1,1),Teacher(name2,2){}protected: string _majorCourse;// 主修课程};intmain(){//这⾥a对象中_name是"张三", "李四", "王五"中的哪⼀个？ Assistant a("张三","李四","王五");return0;}

虚继承的构造初始化顺序：

  • 虚基类优先初始化
    在Assistant的构造函数中，Person(name3)显式调用了虚基类的构造函数，传入name3（"王五"）。此时_name被初始化为"王五"。
  • 非虚基类初始化
    Student(name1, 1)和Teacher(name2, 2)的构造函数中也会调用Person的构造函数，但由于Person是虚基类且已初始化，这些调用会被忽略。

注意：
虚继承场景下，最派生类必须直接初始化虚基类，且虚基类的初始化优先于其他基类。因此_name的值由Assistant构造函数中显式指定的Person(name3)决定。

二、总结

共享基类子对象虚继承确保在多重继承层次结构中，派生类只包含一个共享的基类子对象。

虚基类指针或引用编译器会为虚继承的类生成额外的信息（如虚基类表或偏移量），用于在运行时定位共享基类子对象。这通常通过虚基类指针（vptr）或间接寻址实现。

初始化责任转移虚基类的初始化由最派生类（Most Derived Class）直接完成，而非中间派生类。这与普通继承不同，普通继承中每个中间派生类都需要初始化其直接基类。

内存布局调整虚继承可能导致类的内存布局发生变化，通常会增加额外的间接层或偏移量信息，以支持共享基类的访问。这会带来一定的运行时开销。

构造函数调用顺序虚基类的构造函数会在任何非虚基类之前被调用，确保共享基类子对象优先初始化。这一顺序由语言标准严格规定。
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