【c++】继承学习（三）菱形继承的挑战与虚拟继承的策略

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朋友们大家好，本篇文章来讲解继承的第三部分，有关多继承和菱形继承的内容

目录

• `1.菱形继承`
• `2.虚拟继承`
• `3.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理`
• `4.继承的总结和反思`
• • `继承和组合`

1.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

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()
{
	Assistant a;
	a._name = "a";
}

这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个

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";

2.虚拟继承

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";

	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
}

我们可以进行调试观察：

3.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

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
{
public:
	int _b;
};

class C : 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;
}

     A
    / \
   B   C
    \ /
     D

D对象里面有两份A

我们可以通过内存窗口来观察

B里面的_a：

C里面的_a：

B里面的_b：
C里面的_c：

成员_d：

内存存储的大致情况：

  D 对象
+-----------+
|   类 B    |
| +-------+ |
| | 类 A  | |
| |  _a   | |  <--- B::_a
| +-------+ |
|   _b    | |  <--- _b
+-----------+
|   类 C    |
| +-------+ |    
| | 类 A  | |
| |  _a   | |  <--- C::_a
| +-------+ |
|   _c    | |  <--- _c
+-----------+
|   _d    |    <--- _d
+-----------+

我们接着来看虚拟继承：

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

进行调试观察

_a对象在下面的位置


_b成员：

_c成员 ：

_d成员：

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？

我们发现B C这里多出来一部分，这块的地址我没有调试出来，如果再拉出来两个内存监视，输入上面的地址，它指向的是偏移量

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

内存布局可以简化为以下示意图：

  D 对象
+-----------+
|   类 B    |
| +-------+ |
| | vptr  | |----+
| +-------+ |    |
|   _b    | |  <--- _b
+-----------+    |
|   类 C    |    |
| +-------+ |    |
| | vptr  | |----|--虚基类表 (vtable) 中包含
| +-------+ |    |  指向 A 类实例的偏移量
|   _c    | |  <--- _c
+-----------+    |
|   类 A    |<---+
|   _a    | |  <--- _a
+-----------+
|   _d    |    <--- _d
+-----------+

虚拟基类（A）的实例通常被放置在对象的末尾，但这取决于特定的编译器实现。每个包含虚继承的类（B 和 C）的对象都会有一个虚指针（vptr），它指向一个虚函数表（vtable），虚函数表中包含了虚基类子对象相对于派生类对象的起始地址的偏移量

当访问由 B 或 C 继承来的 A 的成员时，程序首先会查看 vtable，以确定虚基类 A 的实际内存地址，然后根据存储在 vtable 中的偏移量访问对应的成员

代码中对 d._a 的赋值应该是这样的：

d._a = 1; // 正确的方式是直接访问 _a，因为只有一份副本
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;

由于虚拟继承，d._a 会访问唯一的 _a 成员，无需再区分通过 B 或 C 继承的 _a

pb找_a就通过B里面的指针，pc找_a就通过C里面的指针

这里内存的存储顺序是按声明的顺序存储的

实践中可以设计多继承，但是尽量不要设计菱形继承，十分复杂，容易出问题

4.继承的总结和反思

1. 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

继承和组合

在面向对象编程中，继承和组合是两种基本的代码复用机制。它们各自有不同的用途和优势，了解它们之间的区别，以及何时使用哪一个，对于设计健壮、灵活和可维护的代码至关重要。

继承

继承允许一个类（子类或派生类）获取另一个类（父类或基类）的属性和方法。继承通常用于表示"is-a"的关系。也就是说，如果类B继承自类A，我们可以说每个B的实例也是一个A的实例。

比如人和学生我们就可以说，人是（is）学生

组合

组合意味着一种类（称为组合类）包含来自其他类的对象作为它的字段或属性，这些对象扩展了组合类的功能。组合通常用于表示"has-a"的关系。

比如车和轮胎我们可以说，车有（has）轮胎

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

• 低耦合:类和类之间、模块和模块之间关系不那么紧密，关联不高
• 高耦合:类和类之间、模块和模块之间关系很紧密，关联很高

本节内容到此结束！！感谢大家阅读！！