【C++篇】继承之巅：超越法则束缚，领略面向对象的至臻智慧

Trouvaille ~2024-10-09 17:25

文章目录

  • [C++ 继承详解：虚拟继承与进阶实战](#C++ 继承详解：虚拟继承与进阶实战)
    • 前言
    • 第一章：继承与友元、静态成员
      • [1.1 继承与友元](#1.1 继承与友元)
        • [1.1.1 友元函数的定义](#1.1.1 友元函数的定义)
      • [1.2 继承与静态成员](#1.2 继承与静态成员)
        • [1.2.1 静态成员的继承与访问](#1.2.1 静态成员的继承与访问)
    • 第二章：复杂的菱形继承及虚拟继承
      • [2.1 菱形继承问题](#2.1 菱形继承问题)
        • [2.1.1 菱形继承的基本结构](#2.1.1 菱形继承的基本结构)
      • [2.2 菱形继承的二义性问题](#2.2 菱形继承的二义性问题)
      • [2.3 解决方案：虚拟继承](#2.3 解决方案：虚拟继承)
        • [2.3.1 虚拟继承的定义](#2.3.1 虚拟继承的定义)
      • [2.4 虚基表（VBTable）与虚基类指针（VBPTR）](#2.4 虚基表（VBTable）与虚基类指针（VBPTR）)
        • [2.4.1 虚基表的工作机制](#2.4.1 虚基表的工作机制)
        • [2.4.2 偏移量的用途](#2.4.2 偏移量的用途)
      • [2.5 虚拟继承的优缺点](#2.5 虚拟继承的优缺点)
        • [2.5.1 优点](#2.5.1 优点)
        • [2.5.2 缺点](#2.5.2 缺点)
    • 第三章：虚拟继承与多态应用
      • [3.1 虚拟继承与多态的结合](#3.1 虚拟继承与多态的结合)
        • [3.1.1 虚基类中的虚函数与多态](#3.1.1 虚基类中的虚函数与多态)
      • [3.2 虚拟继承的注意事项](#3.2 虚拟继承的注意事项)
        • [3.2.1 构造函数中的调用顺序](#3.2.1 构造函数中的调用顺序)
        • [3.2.2 虚基类成员的访问](#3.2.2 虚基类成员的访问)
    • 第四章：虚拟继承与传统继承的对比
      • [4.1 虚拟继承与传统继承的区别](#4.1 虚拟继承与传统继承的区别)
        • [4.1.1 实例化方式的区别](#4.1.1 实例化方式的区别)
        • [4.1.2 内存布局的区别](#4.1.2 内存布局的区别)
      • [4.2 选择传统继承还是虚拟继承？](#4.2 选择传统继承还是虚拟继承？)
        • [4.2.1 何时使用传统继承？](#4.2.1 何时使用传统继承？)
        • [4.2.2 何时使用虚拟继承？](#4.2.2 何时使用虚拟继承？)
      • [4.3 虚拟继承的最佳实践](#4.3 虚拟继承的最佳实践)
        • [4.3.1 小心使用多层次的虚拟继承](#4.3.1 小心使用多层次的虚拟继承)
      • [4.4 实际项目中的继承选择案例](#4.4 实际项目中的继承选择案例)
        • [4.4.1 案例：设计多功能打印机](#4.4.1 案例：设计多功能打印机)
    • 第五章：继承的总结与反思
      • [5.1 C++ 继承的核心要点回顾](#5.1 C++ 继承的核心要点回顾)
      • [5.2 常见继承误区与陷阱](#5.2 常见继承误区与陷阱)
        • [5.2.1 忽视虚析构函数的定义](#5.2.1 忽视虚析构函数的定义)
      • [5.2 优先使用组合而非继承](#5.2 优先使用组合而非继承)
      • [5.3 继承的设计模式与应用](#5.3 继承的设计模式与应用)
        • [5.3.1 工厂模式的应用](#5.3.1 工厂模式的应用)
      • [5.4 继承的未来发展趋势](#5.4 继承的未来发展趋势)
    • 写在最后

C++ 继承详解：虚拟继承与进阶实战

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前言

接上篇【C++篇】继承之韵：解构编程奥义，感悟面向对象的至高法则

C++ 继承机制在面向对象编程中扮演着至关重要的角色。继承不仅能够帮助我们复用代码，还能够通过多态实现灵活的程序设计。在上一篇文章中，我们深入探讨了继承的基础知识与常见用法。在本篇文章中，我们将进一步探讨更复杂的继承机制，特别是虚拟继承，以及如何通过虚拟继承来解决多重继承中的难题。

第一章：继承与友元、静态成员

1.1 继承与友元

在 C++ 中，友元是一种特殊机制，它允许指定的非成员函数或者其他类访问类的私有成员和保护成员。然而，友元关系不能继承 ，也就是说，基类的友元不会自动成为派生类的友元，反之亦然。

1.1.1 友元函数的定义

如果基类定义了一个友元函数，该友元函数只能访问基类的私有和保护成员，而不能访问派生类的私有或保护成员。反之，如果友元函数在派生类中定义，它也无法访问基类的私有和保护成员。

示例代码：

cpp 复制代码 
class Person {
public:
    friend void Display(const Person& p);  // 声明友元函数
protected:
    string _name = "Alice";  // 姓名
};

void Display(const Person& p) {
    cout << "Name: " << p._name << endl;  // 友元函数可以访问_person中的私有成员
}

class Student : public Person {
protected:
    int _studentID = 1001;  // 学号
};

int main() {
    Student s;
    Display(s);  // 友元函数只能访问基类的保护成员
    // 无法访问Student类中的_studentID
    return 0;
}

在以上代码中，Display 函数是 Person 类的友元，它可以访问 Person 的保护成员 _name。但是，即使 Display 函数可以操作 Student 对象，它也无法访问 Student 类中的 _studentID 成员。

1.2 继承与静态成员

C++ 中的静态成员在继承关系中具有一些特殊的行为。无论继承了多少次，基类中的静态成员在整个继承体系中始终只有一个实例。派生类可以共享访问基类中的静态成员。

1.2.1 静态成员的继承与访问

基类定义的静态成员在派生类中共享。无论派生类如何使用该静态成员，它们操作的都是同一个静态成员变量。

示例代码：

cpp 复制代码 
class Person {
public:
    static int _count;  // 静态成员，用于计数
    Person() { ++_count; }
};

int Person::_count = 0;  // 初始化静态成员

class Student : public Person {
};

int main() {
    Student s1;
    Student s2;
    cout << "Person count: " << Person::_count << endl;  // 输出 2
    cout << "Student count: " << Student::_count << endl;  // 输出 2，Student类共享Person类的静态成员
    return 0;
}

在以上代码中，_count 是 Person 类的静态成员，用于统计创建的 Person 对象数量。由于 Student 类继承自 Person，因此 Student 也可以访问 _count。无论是通过 Person::_count 还是 Student::_count，它们都指向同一个静态成员。

第二章：复杂的菱形继承及虚拟继承

2.1 菱形继承问题

菱形继承是 C++ 多重继承中的一种特殊情况。当一个类从两个基类继承，而这两个基类又有共同的基类时，就会形成一个菱形结构。菱形继承会导致基类的多次实例化，进而引发数据冗余和二义性问题。

2.1.1 菱形继承的基本结构

在菱形继承中，子类会直接或间接继承自同一个基类，形成一个"菱形"的继承结构，这样的设计很容易导致基类的数据被重复继承。

下图展示了菱形继承的结构：


简单示例代码：

cpp 复制代码 
class A {
public:
    int _a;
};

class B : public A {
};

class C : public A {
};

class D : public B, public C {
};

在上述代码中，D 类通过 B 和 C 间接继承了 A，这就形成了一个菱形结构。D 类中实际上会有两份 _a，分别属于从 B 和 C 继承来的 A。这就导致了数据冗余和访问的二义性。

2.2 菱形继承的二义性问题

二义性问题 是指在访问基类成员时，编译器无法确定访问的是哪一个基类实例。例如，D 类对象在访问 _a 时，编译器无法判断是访问 B 中的 _a 还是 C 中的 _a。

示例代码：

cpp 复制代码 
int main() {
    D d;
    d._a = 5;  // 错误：二义性
    return 0;
}

在这个例子中，d._a 会导致编译错误，因为编译器无法决定 _a 是从 B 还是从 C 继承的 A 中访问的。这种二义性问题在实际开发中会带来严重的维护和理解困难。

2.3 解决方案：虚拟继承

虚拟继承可以解决菱形继承中的数据冗余和二义性问题。通过虚拟继承，派生类会共享同一个虚基类的实例，从而避免基类被多次实例化。

2.3.1 虚拟继承的定义

虚拟继承通过在继承时使用 virtual 关键字，指示编译器在继承关系中只生成一个基类实例，从而解决数据冗余和二义性问题。

cpp 复制代码 
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;
}

在这里，B 和 C 虚拟继承了 A，这样在 D 类中，A 的实例只存在一份。

2.4 虚基表（VBTable）与虚基类指针（VBPTR）

在虚拟继承中，编译器会在每个虚基类对象中加入一个指向虚基表（VBTable）的指针，即虚基类指针（VBPTR），用于存储偏移量信息。

2.4.1 虚基表的工作机制

虚基表中存储的是虚基类相对于派生类对象的偏移量。通过虚基类指针，派生类对象可以在运行时计算出虚基类在内存中的实际位置。

示例内存布局：

  • 0x005EF75C 处存储了 D 对象的起始地址。
  • 虚基类指针（VBPTR）指向虚基表（VBTable）。
  • 虚基表中的偏移量帮助定位虚基类 A 在 D 对象内存中的实际位置。
2.4.2 偏移量的用途

偏移量的设计让编译器能够在运行时调整虚基类的位置，确保派生类在访问基类成员时能够定位到唯一的基类实例。

在虚拟继承中，虚基表中的偏移量解决了菱形继承中的访问问题，使得派生类 D 能够直接访问基类 A 的成员，而不会再有二义性。

cpp 复制代码 
int main() {
    D d;
    d._a = 5;  // 正确：通过虚基表解决了二义性
    return 0;
}

此时，D 对象通过虚基表定位到 A 的唯一实例，d._a 可以正确访问到基类 A 中的成员。

2.5 虚拟继承的优缺点

2.5.1 优点
  • 解决数据冗余问题：虚拟继承可以确保在菱形继承中，基类只有一个实例，避免了数据冗余。
  • 消除访问的二义性：通过虚基表和虚基类指针，派生类可以唯一地访问到虚基类的实例，消除了访问时的二义性问题。
2.5.2 缺点
  • 内存开销增加 ：虚拟继承引入了虚基表和虚基类指针，有时候增加了内存的额外开销。（但当虚基类很大的时候，其实还是节省了空间）
  • 性能开销：每次访问虚基类成员时，都需要通过虚基表进行偏移计算，这可能带来一定的性能开销。

第三章：虚拟继承与多态应用

3.1 虚拟继承与多态的结合

虚拟继承在解决菱形继承问题的同时，也为实现多态提供了更高的灵活性。通过使用 virtual 关键字，我们不仅可以避免基类的重复实例化，还可以确保派生类对象通过基类指针或引用来访问重写后的方法。

3.1.1 虚基类中的虚函数与多态

这里先大致看一下，之后会有专门讲解多态的文章滴

在多态机制中，基类的函数被声明为虚函数（virtual）后，派生类可以对该函数进行重写（override）。通过基类的指针或引用调用该函数时，实际运行时会调用派生类的版本，这就是多态的核心。

cpp 复制代码 
class A {
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base A" << endl;
    }
};

// 虚拟继承确保 A 在 D 中只有一个实例
class B : virtual public A {
public:
    void show() override {
        cout << "Derived B" << endl;
    }
};

class C : virtual public A {
public:
    void show() override {
        cout << "Derived C" << endl;
    }
};

class D : public B, public C {
public:
    void show() override {
        cout << "Derived D" << endl;
    }
};

int main() {
    D d;
    A* pa = &d;  // 基类指针指向派生类对象
    pa->show();  // 输出 "Derived D"
    return 0;
}

在上述代码中，通过虚拟继承，D 类对象 d 中只有一个 A 的实例。A 类的虚函数 show() 被 D 类重写后，通过基类指针 pa 调用时，实际调用的是 D 类的 show() 方法，实现了多态。

3.2 虚拟继承的注意事项

3.2.1 构造函数中的调用顺序

使用虚拟继承时，基类的构造函数调用顺序会略有不同。虚基类总是最先被初始化，无论虚基类是在继承链中出现的位置。

cpp 复制代码 
class A {
public:
    A() { cout << "Constructing A" << endl; }
};

class B : virtual public A {
public:
    B() { cout << "Constructing B" << endl; }
};

class C : virtual public A {
public:
    C() { cout << "Constructing C" << endl; }
};

class D : public B, public C {
public:
    D() { cout << "Constructing D" << endl; }
};

int main() {
    D d;
    return 0;
}

输出：

cpp 复制代码 
Constructing A
Constructing B
Constructing C
Constructing D

在这个例子中，即使 A 类作为虚基类出现于 B 和 C 的虚拟继承中，在 D 的构造过程中，A 的构造函数仍然是最先被调用的。虚基类的这种初始化顺序确保 A 的实例在 B 和 C 之前就已经准备好。

3.2.2 虚基类成员的访问

虚基类成员的访问在派生类中可能需要显式地指定基类。虽然虚拟继承解决了二义性，但为了代码的可读性，通常仍然使用 类名::成员名 的形式来访问。

cpp 复制代码 
class A {
public:
    int _value;
};

class B : virtual public A {
};

class C : virtual public A {
};

class D : public B, public C {
public:
    void setValue(int val) {
        A::_value = val;  // 显式指定访问A的_value
    }
    
    int getValue() {
        return A::_value;
    }
};

int main() {
    D d;
    d.setValue(10);
    cout << "Value: " << d.getValue() << endl;  // 输出 "Value: 10"
    return 0;
}

在此示例中，D 类中通过 A::_value 来访问 A 中的 _value 成员。虽然虚拟继承避免了数据冗余，但使用显式的访问方式可以增强代码的可读性。

第四章：虚拟继承与传统继承的对比

4.1 虚拟继承与传统继承的区别

虚拟继承和传统继承在多重继承中的处理方式存在明显差异。理解这两者的区别有助于在实际项目中做出合适的设计选择。

4.1.1 实例化方式的区别

在传统继承中，当多个派生类继承自同一个基类时，基类会被每个派生类实例化一次，从而导致数据冗余。而虚拟继承通过 virtual 关键字使得基类在派生类中只实例化一次，避免了冗余。

示例代码对比：

  • 传统继承：
cpp 复制代码 
class A {
public:
    int _a;
};

class B : public A {
};

class C : public A {
};

class D : public B, public C {
};

int main() {
    D d;
    // d.B::_a 和 d.C::_a 是不同的两个变量，导致数据冗余。
    return 0;
}

在上述代码中，D 类中存在两份 A 的 _a 变量，这就导致了数据冗余问题。

  • 虚拟继承：
cpp 复制代码 
class A {
public:
    int _a;
};

class B : virtual public A {
};

class C : virtual public A {
};

class D : public B, public C {
};

int main() {
    D d;
    // d._a 是唯一的，避免了数据冗余。
    return 0;
}

在虚拟继承的版本中，A 的实例在 D 中只存在一份，因此 d._a 是唯一的。这解决了传统继承中的数据冗余问题。

4.1.2 内存布局的区别

在虚拟继承中，编译器通过引入虚基表（VBTable）和虚基类指针（VBPTR），使得派生类对象可以通过偏移量访问到基类的数据。传统继承则直接将基类对象的数据存储在派生类对象中。

  • 传统继承的内存布局：派生类对象中包含每个基类对象的数据。
  • 虚拟继承的内存布局：派生类对象通过虚基表定位到唯一的虚基类实例。

4.2 选择传统继承还是虚拟继承？

在实际项目中，选择传统继承还是虚拟继承，取决于代码的需求以及对继承结构的复杂性管理。以下是一些建议和注意事项：

4.2.1 何时使用传统继承？
  • 单一继承：如果类的设计只涉及到一个基类和一个派生类，那么使用传统继承即可，不需要引入虚拟继承的复杂性。
  • 没有菱形继承的问题：如果类的多重继承不会导致基类的重复实例化（即没有菱形结构），传统继承是更简单的选择。
  • 性能要求高的场景：由于传统继承不涉及虚基表的查找，访问速度更快，适用于性能要求更高的场景。
4.2.2 何时使用虚拟继承？
  • 解决菱形继承问题：如果设计中存在菱形继承结构，虚拟继承是解决数据冗余和二义性问题的首选。
  • 共享基类资源：当多个派生类需要共享同一个基类的资源（如单个计数器实例），虚拟继承可以确保资源的唯一性。
  • 更强的扩展性：虚拟继承在类的设计上提供了更高的灵活性，使得以后扩展新的派生类时，不会因为基类的重复实例化而产生冲突。

4.3 虚拟继承的最佳实践

4.3.1 小心使用多层次的虚拟继承

虚拟继承可以解决菱形继承的问题，但如果继承层次过多，代码的可读性和维护性会大幅降低。因此，在设计类层次结构时，应尽量保持清晰和简洁。

  • 减少继承层次：尽量避免多层次的虚拟继承，保持类的结构简单化。
  • 使用组合替代继承 ：如果可以使用对象组合（has-a 关系）替代继承（is-a 关系），那么优先选择组合，这样可以降低代码的耦合度。

4.4 实际项目中的继承选择案例

4.4.1 案例：设计多功能打印机

假设我们要设计一个多功能打印机（MFP），它可以进行打印、扫描和复印。我们可以通过多重继承来实现这三种功能。

  • 基类 Printer：提供打印功能。
  • 基类 Scanner：提供扫描功能。
  • 派生类 Copier：继承自 Printer 和 Scanner，实现复印功能。

如果我们希望 Copier 共享 Printer 和 Scanner 的基础硬件（如设备接口），可以使用虚拟继承，确保 Copier 只有一个 Device 实例。

cpp 复制代码 
class Device {
public:
    void connect() {
        cout << "Device connected" << endl;
    }
};

class Printer : virtual public Device {
public:
    void print() {
        cout << "Printing..." << endl;
    }
};

class Scanner : virtual public Device {
public:
    void scan() {
        cout << "Scanning..." << endl;
    }
};

class Copier : public Printer, public Scanner {
public:
    void copy() {
        cout << "Copying..." << endl;
    }
};

int main() {
    Copier copier;
    copier.connect();  // 调用唯一的Device实例的方法
    copier.print();
    copier.scan();
    copier.copy();
    return 0;
}

在这个案例中，Printer 和 Scanner 虚拟继承自 Device，Copier 只会持有一个 Device 的实例，确保设备连接的资源不会被重复使用。

第五章：继承的总结与反思

5.1 C++ 继承的核心要点回顾

在学习 C++ 继承的过程中，我们探讨了多种继承方式及其实际应用场景。以下是一些关键要点的总结：

  • 继承的本质 ：继承是面向对象编程的核心特性，允许派生类复用基类的属性和方法，从而避免代码的重复编写。继承通过 is-a 关系体现类之间的层次关系。
  • 多重继承与菱形继承 ：多重继承允许一个类从多个基类继承，但也引入了复杂性，特别是菱形继承问题。虚拟继承通过 virtual 关键字，可以解决菱形继承中的数据冗余和二义性问题。
  • 虚基表与偏移量：虚拟继承通过虚基表（VBTable）和虚基类指针（VBPTR），在运行时动态计算虚基类的位置，从而保证了多重继承中的唯一性。

5.2 常见继承误区与陷阱

在实际开发中，继承的使用容易出现一些常见的误区和陷阱，以下是几个需要特别注意的点：

5.2.1 忽视虚析构函数的定义

当基类的析构函数未被声明为 virtual 时，通过基类指针删除派生类对象，会导致派生类的析构函数无法正确调用，从而引发内存泄漏。

cpp 复制代码 
class Base {
public:
    ~Base() { cout << "Base destructor called" << endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() { cout << "Derived destructor called" << endl; }
};

int main() {
    Base* p = new Derived();
    delete p;  // 只调用了Base的析构函数，未调用Derived的析构函数，导致内存泄漏
    return 0;
}

在上述代码中，delete p 只会调用 Base 的析构函数，而不会调用 Derived 的析构函数。解决方法是将 Base 的析构函数声明为 virtual。

5.2 优先使用组合而非继承

在设计类时，组合优先于继承是一种常见的设计原则。组合关系使类之间的耦合度降低，更便于代码的扩展和维护。

例如，如果我们有一个 Car 类和一个 Engine 类，可以通过组合的方式来实现，而不是让 Car 继承自 Engine。

cpp 复制代码 
class Engine {
public:
    void start() { cout << "Engine started" << endl; }
};

class Car {
private:
    Engine _engine;  // Car组合了一个Engine对象
public:
    void start() {
        _engine.start();
        cout << "Car is running" << endl;
    }
};

通过组合，我们可以更灵活地替换和扩展 Engine 类，而不会影响 Car 类的设计。

5.3 继承的设计模式与应用

在 C++ 开发中，继承与组合是实现多态的重要手段。合理地使用继承，可以实现更灵活的设计模式，如工厂模式 、策略模式等。这些设计模式广泛应用于实际项目中，有助于提高代码的复用性和扩展性。

5.3.1 工厂模式的应用

工厂模式利用继承机制，实现对象的动态创建和管理，是设计模式中的经典应用之一。

cpp 复制代码 
class Product {
public:
    virtual void use() = 0;  // 定义一个抽象产品类
};

class ConcreteProductA : public Product {
public:
    void use() override { cout << "Using Product A" << endl; }
};

class ConcreteProductB : public Product {
public:
    void use() override { cout << "Using Product B" << endl; }
};

class Factory {
public:
    static Product* createProduct(int type) {
        if (type == 1) {
            return new ConcreteProductA();
        } else {
            return new ConcreteProductB();
        }
    }
};

int main() {
    Product* product = Factory::createProduct(1);
    product->use();  // 输出 "Using Product A"
    delete product;
    return 0;
}

在这个例子中，通过继承 Product 类，我们实现了对不同产品对象的动态创建和管理。

5.4 继承的未来发展趋势

随着 C++ 标准的不断演进，新的语言特性（如 std::variant 和 concepts）提供了更多替代继承的方式。对于未来的 C++ 开发者来说，理解这些新特性，并在合适的场景下替代传统继承，将会成为新的挑战和机遇。

写在最后

通过本篇文章的学习，我们深入探讨了 C++ 继承中的进阶知识，包括多重继承、虚拟继承的使用和内存管理，以及它们在实际项目中的应用。虚拟继承在解决菱形继承问题的同时，也增加了代码的复杂性，因此在使用时需要格外谨慎。

继承是面向对象编程中的利器，但也是一把双刃剑。合理地使用继承可以大大提高代码的复用性和可扩展性，而不合理的继承则会带来维护上的负担。

在设计类结构时，务必根据实际需求选择最适合的方案，掌握继承的精髓，才能在 C++ 编程中游刃有余。

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