C++:菱形继承与菱形虚拟继承

一、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,派生类继承自两个间接基类,而这两个间接基类又继承自同一个基类,形成了一个菱形的继承关系。具体来说,就是两个子类继承同一个父类,而又有子类同时继承这两个子类。 

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

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";
}

 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。

二、菱形虚拟继承

为了研究虚拟继承原理,我们给出了一个简化的菱形继承继承体系,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
//class B : virtual public A
{
public:
	int _b;
};
class C : public A
//class C : virtual public A
{
public:
	int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
	int _d;
};
int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	return 0;
}

由菱形继承的内存对象成员模型可以看到数据冗余。

菱形虚拟继承的关键字virtual需要加在基类的继承声明中,用于指定某个基类是以虚拟的方式被继承的,通常是将共享的基类(即菱形顶部的基类)声明为虚拟继承。

class A
{
public:
	int _a;
};
// class B : public A
class B : virtual public A
{
public:
	int _b;
};
// class C : public A
class C : virtual public A
{
public:
	int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
	int _d;
};
int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	return 0;
}

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型:这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下 面,这个A同时属于B和C,那么B和C如何去找到公共的A呢?这里是通过了B和C的两个指针,指 向的一张表。这两个指针叫虚基表指针,这两个表叫虚基表。虚基表中存的偏移量。通过偏移量 可以找到下面的A。 

// 为什么D中B和C部分要去找属于自己的A?那么大家看看当下面的赋值发生时,d是
不是要去找出B/C成员中的A才能赋值过去?
D d;
B b = d;
C c = d;

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释: 

 三、继承的总结和反思

1. 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. 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。

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