C++进阶—继承(下)菱形(虚拟)继承分析虚拟继承存储对象模型

news2024/11/15 11:51:45

 

目录

0. 前言

1. 普通多继承下，基类和派生类复制转换底层细节(切片)

2. 多继承下的复杂菱形继承

3. 菱形虚拟继承(虚基类)重点

3.1 菱形非虚拟继承对象存储模型

3.2 菱形虚拟继承对象存储模型

3.3 虚拟继承对象存储模型

3.4 多对象继承关系分析其虚基类&虚拟化继承位置

5. 继承的总结和反思

0. 前言

这篇文章主要接上篇文章，从更深层次理解普通继承切片切割以及虚拟继承切片切割，从底部虚拟内存分析，以及分析C++多继承带来的一些问题，和C++解决多继承带来问题采取的方式，并从底层内存观察其逐步实现及原理，最终更深层次感受多继承！并从软件工程分析继承和组合两个概念！！！

1. 普通多继承下，基类和派生类复制转换底层细节(切片)

派生类对象 可以赋值给 基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用。这里有个形象的说法叫切片或者切割。寓意把派生类中父类那部分切来赋值过去。

那么编译器在普通继承下，处理时如何切片，由上面一题目，看内存分析如下：

可知在编译阶段，对象实例化时，实例化对象只存储成员变量，而成员函数会根据其模板参数、所属类域存储在公共代码段，以便进行调用！

在对象实例化时，通过调试观察其虚拟内存得出，实例化对象会提前在栈区或者堆区开辟好空间，其成员变量在栈区先使用低地址在使用高地址，（如结构体，便于通过偏移量计算成员位置），因此可以绘制出对象d实例化时，内存存储数据模型：

        而通过上篇文章可知，默认构造，先构造其基类，在构造子类，而对于多继承其根据继承顺序依次构造，因此先实例化_b1，在实例化_b2，其次实例化_d，因此可以看出由低地址到高地址使用实例化！！！

使用调试，观察其切割切片方式:

  1.  将&d派生类Derive地址赋值给Base* p1基类指针，此时便会进行切片，切割使用_b1，所以此时p1指向的地址便是原类Derive实例化对象d的地址，但是由于其进行切片，向后只能访问其基类大小个字节，只能访问_b1
  2. 将&d派生类Derive地址赋值给Base* p2基类指针，此时便会进行切片，切割使用_b2，由于Base2实例化在中间，因此切片时从_b2地址进行切片赋值，向后只能访问其基类大小个字节，只能访问_b2
  3. 将&d派生类Derive地址赋值给其所属类型的指针变量，此时未发生切片，p3所指向的地址便是整个实例化对象的地址，所以p3的地址便是最开始的地址！！！

最终结果：

 p3和p1虽然向后访问数据的偏移量不同，但是所指向同一空间的起始地址&d，_d1，而p2指向同一空间基于Base2实例化的地址，即_b2地址，再根据派生类成员变量内存分布，即可以得出上图结果！！！

总结：

  1. 对于派生类引用赋值给基类，底层是对指针和解引用的封装，含义不同，内存操作相同！！！
  2. 对于派生类直接赋值给基类，会直接进行切割赋值

2. 多继承下的复杂菱形继承

单继承：一个子类只有一个直接父类时称这个继承关系为单继承

多继承：一个子类有两个或以上直接父类时称这个继承关系为多继承

 菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。

什么是二义性：（多继承和菱形继承都会导致二义性）

 如上图：在多继承中class A和class B若是有多个相同数据成员，此时对于class C而言同名的数据成员会产生二义性的问题，需要通过类域对其进行区分，如下代码：

	class A {
	public:
		A() :_a(1), _same(10) {

		}

		int _a;
		int _same;
	};
	class B {
	public:
		B() :_b(1), _same(1) {

		}
		int _b;
		int _same;
	};
	class C : public A,public B{
	public:
		void Print() {
			//cout << _same << endl;//err _same无法确定是属于哪个类，二义性
		}
		int _c;
	};
	void test() {
		C c;
		//cout << c._same << endl;//err _same无法确定是属于哪个类，二义性
	}

菱形继承的问题：从下面的对象成员模型构造，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。 在Assistant的对象中Person成员会有两份，除了二义性，当间接相同基类成员变量如果占用空间过大，也会浪费内存空间。

	class Person
	{
	public:
		string _name; // 姓名
	};

	class Student : public Person
	{
	public:
		int _num; //学号
	};

	class Teacher : public Person
	{
	public:
		int _id; // 职工编号
	};

	class Assistant : public Student, public Teacher
	{
	public:
		string _majorCourse; // 主修课程
	};

	void Test()
	{
		// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
		Assistant a;
		//a._name = "peter";
		// 需要显示指定访问哪个父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";
	}

我们发现在类Assistant中存在两份的基类Person，分别Assistant存在类Student和类Teacher中，如果数据多则严重浪费空间，也不利于维护, 我们引用基类Person中的数据还需要通过域运算符进行区分。

为了解决以上问题，C++提供了虚基类，也叫做虚拟继承的概念

3. 菱形虚拟继承(虚基类)重点

为了解决上述菱形继承带来的问题，C++中引入了虚基类，其作用是在间接继承共同基类时只保留一份基类成员，虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。

	class Person
	{
	public:
		string _name; // 姓名
	};
	class Student : virtual public Person
	{
	protected:
		int _num; //学号
	};
	class Teacher : virtual public Person
	{
	protected:
		int _id; // 职工编号
	};
	class Assistant : public Student, public Teacher
	{
	protected:
		string _majorCourse; // 主修课程
	};
	void Test()
	{
		Assistant a;
		a._name = "peter";
	}

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理分析

3.1 菱形非虚拟继承对象存储模型

为了研究虚拟继承原理，先给出一个简化的菱形非虚拟继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型：

class A {
	public:
		int _a;
	};

	class B : public A{
	public:
		int _b;
	};
	class C : public A{
	public:
		int _c;
	};

	class D :public B, public C {
	public:
		int _d;
	};

	void Test() {
		D d;
		d.B::_a = 1;
		d.C::_a = 2;
		d._b = 3;
		d._c = 4;
		d._d = 5;
	}

分析上述菱形非虚拟继承对象存储模型，如下：

实例化对象d进行了多继承，其基类B、C为非虚拟继承：

  1. 首先根据其继承的第一个类调用基类的构造，即调用B的构造，B继承了A，因此B再次调用基类A的构造
  2. 其实根据其继承的第二个类调用基类的构造，即调用C的构造，C继承了A，因此C再次调用基类A的构造
  3. 再根据vs内存监视窗口，其虚拟内存，观察其更改顺序，即可的到其非虚拟菱形继承对象存储模型
  4. 从对象存储模型可观察到非虚拟菱形继承中类A，分别在B类C类各有一份，因此造成二义性和数据冗余

3.2 菱形虚拟继承对象存储模型

为了研究虚拟继承原理，再给出一个简化的菱形虚拟继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型：

	class A {
	public:
		int _a;
	};

	class B : virtual public A{
	public:
		int _b;
	};
	class C : virtual public A{
	public:
		int _c;
	};

	class D :public B, public C {
	public:
		int _d;
	};

	void Test() {
		D d;
		d.B::_a = 1;
		d.C::_a = 2;
		d._a = 0;
		d._b = 3;
		d._c = 4;
		d._d = 5;
	}

分析上述菱形虚拟继承对象存储模型，如下：

 实例化对象d进行了多继承，其基类B、C为虚拟继承，类A为虚基类：

1. 首先根据其继承的第一个类调用其基类的构造，即调用B的构造，B虚拟继承了A，B中指向A的数据就变成了虚基类表的指针，该指针指向一个虚基类表，虚基类表中存储了该指针到公共数据所在内存的偏移量，然后构造B的成员

2. 其次根据其继承的第二个类调用其基类的构造，即调用C的构造，C虚拟继承了A，C中指向A的数据就变成了虚基类表的指针，该指针指向一个虚基类表，虚基类表中存储了该指针到公共数据所在内存的偏移量，然后构造C的成员

3. 最后构造D类的成员变量，此时，实例化对象d，d对象中只有一份数据A，以及其两个基类的虚基类表指针。

 

简单来说：

  • 如果使用非虚拟继承，那么D会从B、C那里继承两份相同的数据。
  • 如果使用虚拟继承，那么那两份相同的数据在D类对象中只会存在一份。而D从B、C那里继承的是它们独有的数据以及B和C的虚基类表指针。通过它们各自的虚基类表指针，就可以获取该指针与那份公共数据存储位置的偏移量，进而可以访问它。

3.3 虚拟继承对象存储模型

当不是菱形状态传递时，有关继承virtual，其虚拟继承的对象存储模型：

	class A {
	public:
		int _a;
	};

	class B : virtual public A{
	public:
		int _b;
	};
	class C : virtual public A{
	public:
		int _c;
	};

	class D :public B, public C {
	public:
		int _d;
	};

	void func(B* bb) {
		cout << bb->_a << endl;
	}
	void Test() {
		D d;
		d.B::_a = 1;
		d.C::_a = 2;
		d._a = 0;
		d._b = 3;
		d._c = 4;
		d._d = 5;
		B b;
		func(&d);
		func(&b);
	}

只要是虚拟继承，编译器都会按照虚基类表指针进行编译，才能保证其子类的传递正确性。

3.4 多对象继承关系分析其虚基类&虚拟化继承位置

当存在多边形对象继承时，其虚基类，一般为最终继承关系中会重复的成员变量所属的类！！！

 从上图继承关系可知，构成菱形继承，E类中会造成A类成员变量二义性，因此，需要将类B、C定义虚拟继承解决其二义性和数据冗余。

5. 继承的总结和反思

  1. 很多人说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就存在菱形继承，有了菱 形继承就有菱形虚拟继承，底层实现就很复杂。所以一般不建议设计出多继承，一定不要设 计出菱形继承。否则在复杂度及性能上都有问题。
  2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承，如Java。
  3. 继承和组合
  •         public继承是一种is-a的关系。也就是说每个派生类对象都是一个基类对象。
  •         组合是一种has-a的关系。假设B组合了A，每个B对象中都有一个A对象。
  •         优先使用对象组合，而不是类继承 。
  •         继承允许你根据基类的实现来定义派生类的实现。这种通过生成派生类的复用通常被称 为白箱复用(white-box reuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对子类可见 。继承一定程度破坏了基类的封装，基类的改变，对派生类有很大的影响。派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度高。
  •         对象组合是类继承之外的另一种复用选择。新的更复杂的功能可以通过组装或组合对象 来获得。对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。这种复用风格被称为黑箱复 用(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可见的。对象只以“黑箱”的形式出现。 组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低。优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装。

        实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有 些关系就适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系可以用 继承，可以用组合，就用组合。

	// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
	class Car {
	protected:
		string _colour = "白色"; // 颜色
		string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
	};

	class BMW : public Car {
	public:
		void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
	};

	class Benz : public Car {
	public:
		void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
	};

	// Tire和Car构成has-a的关系

	class Tire {
	protected:
		string _brand = "Michelin";  // 品牌
		size_t _size = 17;         // 尺寸

	};

	class Car {
	protected:
		string _colour = "白色"; // 颜色
		string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
		Tire _t; // 轮胎
	};

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