【C++进阶学习】第三弹——菱形继承和虚拟继承——菱形继承的二义性和数据冗余问题

GG Bond1

发布于 2024-06-22 08:24:40

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发布于 2024-06-22 08:24:40

文章被收录于专栏：C/C++葵花宝典C/C++葵花宝典

前言：

在前面，我们已经讲过继承的相关知识，今天我们来将一个由继承拓展出来的很重要的知识，那就是——菱形继承和虚拟继承及相关知识讲解

一、单继承和多继承

C++单继承

在C++中，单继承是指一个类只能继承自一个基类。这意味着派生类只能有一个直接的基类。

单继承的语法如下：

class Base {
public:
    void baseFunction() {
        cout << "Base function" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void derivedFunction() {
        cout << "Derived function" << endl;
    }
};

在这个例子中，Derived 类继承自 Base 类。Derived 类可以访问 Base 类中声明为 public 的成员。

C++多继承

多继承允许一个类继承自多个基类。这意味着派生类可以有多个直接的基类。

多继承的语法如下：

class Base1 {
public:
    void base1Function() {
        cout << "Base1 function" << endl;
    }
};

class Base2 {
public:
    void base2Function() {
        cout << "Base2 function" << endl;
    }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    void derivedFunction() {
        cout << "Derived function" << endl;
    }
};

在这个例子中，Derived 类同时继承自 Base1 和 Base2。Derived 类可以访问两个基类中声明为 public 的成员。

多继承的复杂性

多继承虽然功能强大，但也带来了一些复杂性，例如菱形继承问题。菱形继承很容易带来冗余性和二义性，这些就需要我们用虚拟继承来解决，这些问题挺重要，我们往下看

二、菱形继承

C++中的菱形继承是指在类的继承关系中，存在两个或更多个直接或间接的基类，它们之间形成了一个类似菱形的结构。这种继承结构通常出现在多层继承中，当一个派生类同时从两个不同的基类继承到了同一个基类时，就可能导致问题。

问题1：冗余性

冗余性主要体现在代码的重复。在菱形继承中，派生类会继承两个基类的所有公共和私有成员。如果这些成员在两个基类中定义了相同的实现，那么在派生类中可能会有重复的代码，这不仅增加了代码量，还可能导致维护困难，因为需要在所有相关的实现中同步更新。

问题2：二义性

二义性是指在菱形继承的情况下，派生类可能会有两个或更多的基类提供了相同的函数或数据成员，这在调用时会导致编译器无法确定调用哪个版本。例如，如果基类A和B都有一个同名的函数，而在派生类中没有明确指定调用哪一个，就会产生二义性错误。

下面来看一个例子：

class Person
{
public :
 string _name ; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected :
 int _num ; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected :
 int _id ; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected :
 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";
}

总之，菱形继承在C++中是一个复杂且容易引发问题的特性，需要谨慎使用并结合其他设计原则来确保代码的清晰和可维护性。

下面我们来讲解一种解决上面问题的方法——虚拟继承

三、虚拟继承

虚继承是一种特殊的继承方式，用于解决菱形继承中的冗余性和二义性问题。了解虚继承的相关知识点有助于更好地使用它。

虚基类：在虚继承中，被继承的类被称为虚基类。

虚基类的成员变量和成员函数在子类中只会存在一份，避免了冗余性问题。

1、虚继承的语法：虚继承的语法与普通继承类似，只需在继承语句前加上关键字 virtual，如 class SubClass : public virtual BaseClass { ... };。 2、虚表：虚继承会在运行时为每个对象创建一个虚表，用于记录虚基类的实际地址，以便在运行时正确地访问虚基类的成员变量和成员函数。（这个知识点还是比较重要的，因为一些原因，我这里并不会讲，感兴趣的可以自己去网上搜一下视频，或者与我私聊） 3、构造函数和析构函数：当虚继承时，构造函数和析构函数会按照继承顺序依次调用，从而确保虚基类的构造和析构正确地执行。 4、访问控制：由于虚继承的存在，可能会导致访问控制问题，例如在子类中无法直接访问虚基类的成员变量或成员函数。这时可以通过使用using语句或显式限定符来解决。 5、空类的大小：虚继承会导致空类的大小不为 0，因为需要为每个对象创建一个虚表（vtable）。 6、多继承时的虚继承：当多个类同时virtually继承同一个虚基类时，虚基类的成员变量和成员函数在子类中只会存在一份，避免了冗余性和二义性问题。

虚继承的基本语法如下：

class BaseClass {
public:
    int var;
};

class LeftChild : public virtual BaseClass {
public:
    // ...
};

class RightChild : public virtual BaseClass {
public:
    // ...
};

class FinalChild : public LeftChild, public RightChild {
public:
    // ...
};

在上面的示例中，LeftChild 和 RightChild 都virtually继承自 BaseClass，这样在 FinalChild 继承 LeftChild 和 RightChild 时，就不会再继承 BaseClass 的两份副本，避免了冗余性问题。此时，BaseClass 的成员变量 var 在 FinalChild 中只有一份，并且不会发生二义性问题。