C++菱形继承内存模型

本文讲述了C++类菱形继承的内存模型，菱形模型是C++由于多继承这一特性而产生的一种特殊现象，即继承关系类似于菱形，例如B、C继承于A，D继承于B和C.（注:本文非特别说明，代码测试环境均为vs x86环境）

一、菱形继承导致的问题

1）冗余存储

在上面例子中， B、C继承于A，D继承于B和C，所以D中会有两份A中的成员，造成冗余存储。

可以通过以下代码验证，通过输出A、B、C、D四个类的大小.可以观察到，A的大小为4，B继承了A的成员，故而大小为8，同理C的大小为8，D继承了B和C，加上自身的成员，大小为20，但是通过继承B和C，D间接继承了两份A。

cpp 复制代码

class A{
public:
	int a_data;
};

class B :public A{
public:
	int b_data;
};

class C :public A{
public:
	int c_data;
};

class D :public B , public C{
public:
	int d_data;
};

int main(){
	cout << "sizeof(A)" << sizeof(A) << endl;
	cout << "sizeof(B)" << sizeof(B) << endl;
	cout << "sizeof(C)" << sizeof(C) << endl;
	cout << "sizeof(D)" << sizeof(D) << endl;

	return 0;
}

同时也可以通过调试，看到D对象的成员，包含两个a_data.

2）访问内部成员二义性

由于D中存在两份A类成员，所以在访问基类A的时候不能直接使用d.a_data进行访问，因为编译器不知道是通过B访问A类成员还是通过C访问A类成员。必须指明访问路径

cpp 复制代码

cout << d.a_data << endl;

而使用d.B::a_data指明路径，就可以正确访问到a。

二、菱形继承问题解决方案

通过虚拟继承方案，让中间基类共享同一个A的实例，具体实现为让B和C各自携带一个虚基类表指针，指向共享的A实例的位置，从而使得D类对象只有一份A的成员。

D对象的构建过程为：先创建A对象，再创建B对象，在创建B对象的同时，将B的虚基表指针指向续基表，虚基表会存放A对象相对于当前B对象的偏移量，C对象创建同理，最后创建D对象。

通过以下代码，打印通过B和通过C路径获取的a_data成员，发现二者的地址是相同的，所以只存在一个A对象。同时打印类的大小，可以观察到：

A = a_data = 4;

B = b_data + vbptr + a_data = 12 (32位环境下)

C = c_data + vbptr + a_data = 12 (32位环境下)

D = B + C + d_data + a_data =24 (32位环境下)

cpp 复制代码

class A{
public:
	A(){
	}
public:
	int a_data;
};

class B :virtual public A{
public:
	B() {}
public:
	int b_data;
};

class C :virtual public A {
public:
	C() {}
public:
	int c_data;
};

class D :public B, public C {
public:
	D() {}
public:
	int d_data;
};

int main(){
	A a;
	B b;
	C c;
	D d;
	printf("&d.B::a_data: %p\n", &d.B::a_data);
	printf("&d.C::a_data: %p\n", &d.C::a_data);
	d.B::a_data = 2025;
	cout << d.C::a_data << endl;
	cout << "sizeof(A)" << sizeof(A) << endl;
	cout << "sizeof(B)" << sizeof(B) << endl;
	cout << "sizeof(C)" << sizeof(C) << endl;
	cout << "sizeof(D)" << sizeof(D) << endl;
	cout << "a_data " << d.a_data << endl;
	return 0;
}

三、虚继承案例

在C++标准库中也存在着虚继承的案例，例如，参考官方文档继承图可以看到，istream和ostream都继承于base_ios，而iostream继承于istream和ostream两个类，其中菱形继承部分就是通过虚继承实现的