cpp_10_多重继承_钻石继承_虚继承

wwwwood2024-01-11 19:45

1 多重继承

一个类可以同时从多个基类继承实现代码。

1.1 多重继承的内存布局

子类对象内部包含多个基类子对象。

按照继承表的顺序依次被构造，析构的顺序与构造严格相反。

各个基类子对象按照从低地址到高地址排列。

cpp 复制代码 
// miorder.cpp 多重继承：一个子类有多个基类
#include <iostream>
using namespace std;

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

class B {
public:
    int m_b;
    B() { cout << "B()" << endl; }
    ~B() { cout << "~B()" << endl; }
};

class C {
public:
    int m_c;
    C() { cout << "C()" << endl; }
    ~C() { cout << "~C()" << endl; }
};

class D : public A, public B, public C { // 汇聚子类
public:
    int m_d;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    D d; // |A基类子对象|B基类子对象|C基类子对象|m_d|-->|m_a|m_b|m_c|m_d|
    cout << "汇聚子类对象d的大小:" << sizeof(d) << endl; // 16

    D* pd = &d;
    cout << "整个汇聚子类对象的地址 D* pd: " << pd << endl;

    cout << "A基类子对象的首地址: " << &d.m_a << endl;
    cout << "B基类子对象的首地址: " << &d.m_b << endl;
    cout << "C基类子对象的首地址: " << &d.m_c << endl;
    cout << "D类自己的成员变量&m_d: " << &d.m_d << endl;
    return 0;
}

1.2 多重继承的类型转换

（1）将子类对象的指针，隐式转换为它的某种基类类型指针，编译器会根据各个基类子对象在子类对象中的位置，进行适当的偏移计算，以保证指针的类型与其所指向目标对象的类型一致。

反之，将任何一个基类类型的指针静态转换为子类类型，编译器，编译器同样会进行适当的偏移计算。

不建议使用：无论在哪个方向上，重解释类型转换reinterpret_cast都不偏移：

cpp 复制代码 
// convercmp.cpp 多重继承的类型转换
#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    int m_a;
};
class B {
public:
    int m_b;
};
class C {
public:
    int m_c;
};
class D : public A, public B, public C { // 汇聚子类
public:
    int m_d;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    D d; // |A基类子对象|B基类子对象|C基类子对象|m_d|-->|m_a|m_b|m_c|m_d|
    cout << "汇聚子类对象d的大小:" << sizeof(d) << endl; // 16

    D* pd = &d;
    cout << "整个汇聚子类对象的地址 D* pd: " << pd << endl;

    cout << "A基类子对象的首地址: " << &d.m_a << endl;
    cout << "B基类子对象的首地址: " << &d.m_b << endl;
    cout << "C基类子对象的首地址: " << &d.m_c << endl;
    cout << "D类自己的成员变量&m_d: " << &d.m_d << endl;

    cout << "---------------隐式转换---------------" << endl;
    A* pa = pd;
    cout << "D* pd--->A* pa: " << pa << endl;
    B* pb = pd;
    cout << "D* pd--->B* pb: " << pb << endl;
    C* pc = pd;
    cout << "D* pd--->C* pc: " << pc << endl;
    
    cout << "---------------static_cast---------------" << endl;
    D* p1 = static_cast<D*>(pa);
    cout << "A* pa--->D* p1: " << p1 << endl;
    D* p2 = static_cast<D*>(pb);
    cout << "B* pb--->D* p2: " << p2 << endl;
    D* p3 = static_cast<D*>(pc);
    cout << "C* pc--->D* p3: " << p3 << endl;

    cout << "---------------reinterpret_cast---------------" << endl;
    pa = reinterpret_cast<A*>(pd);
    cout << "D* pd--->A* pa: " << pa << endl;
    
    pb = reinterpret_cast<B*>(pd);
    cout << "D* pd--->B* pb: " << pb << endl;
    
    pc = reinterpret_cast<C*>(pd);
    cout << "D* pd--->C* pc: " << pc << endl;

    return 0;
}

（2）引用的情况与指针类似，因为引用的本质就是指针。

1.3 多重继承的名字冲突

如果在子类的多个基类中，存在同名的标识符，那么任何试图通过子类对象，或在子类内部访问该名字的操作，都将引发歧义。

解决办法1：子类隐藏该标识符（因噎废食，不建议）；

解决办法2：通过作用域限定操作符**::**显示指明所属基类。

cpp 复制代码 
// scope.cpp 多重继承的名字冲突问题 -- 作用域限定符
#include <iostream>
using namespace std;

class A { // 学生类
public:
    int m_a;
    int m_c; // 成绩
};

class B { // 老师类
public:
    int m_b;
    int m_c; // 工资
};

class D : public A, public B { // 助教类
public:
    int m_d;
//  int m_c; // 在业务上毫无意义，仅仅就是为了将基类的m_c隐藏
    void foo() {
        A::m_c = 100; 
    }
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    D d; // |A基类子对象|B基类子对象|m_d| --> |m_a m_c|m_b m_c|m_d|
    cout << "汇聚子类对象d的大小:" << sizeof(d) << endl; // 20
    d.B::m_c = 8000; 
    return 0;
}

2 钻石继承

一个子类继承自多个基类，而这些基类又源自共同的祖先，这样的继承结构称为钻石继承（菱形继承）：

2.1 钻石继承的问题

公共基类子对象，在汇聚子类对象中，存在多个实例：

cpp 复制代码 
// diamond.cpp 钻石继承
#include <iostream>
using namespace std;
class A { // 公共基类(人类)
public:
    int m_a; // 年龄
};
class X : public A { // 中间子类(学生类)
public:
    int m_x;
};
class Y : public A { // 中间子类(老师类)
public:
    int m_y;
};
class Z : public X, public Y { // 汇聚子类(助教类)
public:
    int m_z;
    void foo() {
        X::m_a = 20; // 歧义
    }
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    Z z; // |X中间子类子对象|Y中间子类子对象|m_z|-->
         // |A公共基类子对象 m_x|A公共基类子对象 m_y|m_z|-->|m_a m_x|m_a m_y|m_z|
    cout << "汇聚子类对象z的大小: " << sizeof(z) << endl; // 20

    z.Y::m_a = 20; // 歧义
    return 0;
}

3 虚继承

3.1 钻石继承的解决方法

在继承表中使用virtual关键字。

虚基类子对象，不在中间子类子对象中，保存在最后。

虚继承可以保证：

（1）公共虚基类子对象在汇聚子类对象中仅存一份实例

（2）公共虚基类子对象被多个中间子类子对象所共享

3.2 虚继承实现原理

汇聚子类对象中的每个中间子类子对象都持有一个指针，通过该指针可以获取 中间子类子对象的首地址 到 公共虚基类子对象 的首地址的 偏移量：

cpp 复制代码 
// virtualinherit.cpp 虚继承 -- 钻石继承问题的解决法门
// (1) 公共基类(A类)子对象 在 汇聚子类(Z类)对象中 只存在一份
// (2) 公共基类(A类)子对象 要被 多个中间子类(X/Y类)子对象 共享
#include <iostream>
using namespace std;
#pragma pack(1)
class A { // 公共基类(人类)
public:
    int m_a; // 年龄
};
class X : virtual public A { // 中间子类(学生类)
public:
    int m_x;
    void setAge( /* X* this */ int age ) {
        this->m_a = age; // (1) this (2) X中间子类子对象 (3) 指针1 (4) 偏移量 
                         // (5)this+偏移量 (6)A公共基类子对象首地址 (7)m_a
    }
};
class Y : virtual public A { // 中间子类(老师类)
public:
    int m_y;
    int getAge( /* Y* this */ ) {
        return this->m_a; // (1) this (2) Y中间子类对象 (3) 指针2 (4) 偏移量 
                          // (5)this+偏移量 (6)A公共基类子对象首地址 (7)m_a
    }
};
class Z : public X, public Y { // 汇聚子类(助教类)
public:
    int m_z;
    void foo() {
        m_a = 20; 
    }
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    Z z; // |X中间子类子对象|Y中间子类子对象|m_z|A公共基类子对象|-->
         // |指针1 m_x|指针2 m_y|m_z|m_a|
    cout << "汇聚子类对象z的大小: " << sizeof(z) << endl; //  32

    z.setAge( 28 ); // setAge( &z, 28 ); 
    cout << z.getAge() << endl; // getAge( &z );
    return 0;
}

3.3 虚继承的构造函数

cpp 复制代码 
// virtualCons.cpp 虚继承的构造函数
#include <iostream>
using namespace std;
#pragma pack(1)
class A { // 公共虚基类
public:
    int m_a;
};
// 开关量X=0;
class X : virtual public A { // 中间子类
public:
    X() {
        //【*】
        //【int m_x;】
        // if( 开关量X==0 ) { // 只有开关量X为0时，X类构造函数才会创建 A虚基类子对象
        //  【A();】
        // }
    }
    int m_x;
};
// 开关量Y=0;
class Y : virtual public A { // 中间子类
public:
    Y() {
        //【*】
        //【int m_y;】
        // if( 开关量Y==0 ) { // 只有开关量Y为0时，Y类构造函数才会创建 A虚基类子对象
        //  【A();】
        // }
    }
    int m_y;
};
class Z : public X, public Y { // 汇聚子类
public:
    Z( ) {
        // 开关量X=1，开关量Y=1  (将 开关量置为1 )
        //【X();】
        //【Y();】
        //【int m_z;】
        //【A();】
        // 开关量X=0，开关量Y=0  (复位开关量)
    }
    int m_z;
};
int main( void ) {
    X x; // |指针 m_x|A虚基类子对象| --> |指针 m_x|m_a|
    cout << "x对象的大小: " << sizeof(x) << endl; // 16
    Y y; // |指针 m_y|A虚基类子对象| --> |指针 m_y|m_a|
    cout << "y对象的大小: " << sizeof(y) << endl; // 16

    Z z; // |X中间子类子对象|Y中间子对象|m_z|A公共虚基类子对象| 
         // --> |指针 m_x|指针 m_y|m_z|m_a|
    cout << "z对象的大小: " << sizeof(z) << endl;
    return 0;
}

3.4 虚继承特点

虚基类子对象，不在中间子类子对象中，保存在最后。（通过上述开关量可知）

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