【C++】继承深度解析：继承方式和菱形虚拟继承的详解

杜子不疼.2025-10-11 9:19

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【C++】继承深度解析：继承方式和菱形虚拟继承的详解

  • 摘要
  • 目录
    • 一、继承方式
      • [1. 单继承](#1. 单继承)
      • [2. 多继承](#2. 多继承)
      • [3. 菱形继承](#3. 菱形继承)
        • [3.1 菱形虚拟继承](#3.1 菱形虚拟继承)
        • [3.2 菱形虚拟继承的原理](#3.2 菱形虚拟继承的原理)
        • [3.2.1 内存布局](#3.2.1 内存布局)
        • [3.2.2 虚表（vtable/vptr）调整](#3.2.2 虚表（vtable/vptr）调整)
        • [3.2.3 构造函数调用顺序](#3.2.3 构造函数调用顺序)
        • 总结底层逻辑
  • 总结

摘要

本文系统讲解了 C++ 中的继承机制，包括单继承、多继承、菱形继承及虚拟继承，配合图解和代码示例直观展示各类继承的对象模型、内存布局及访问特点，重点说明虚拟继承如何通过共享基类实例、虚基表偏移和构造顺序，解决菱形继承的数据冗余与二义性问题。
继承的认识和基础学习详解----------》请点击

目录

一、继承方式

1. 单继承

一个派生类只有一个直接基类的时候称这个继承为单继承

Person

↓

Teacher

↓

Student

（单链）

cpp 复制代码 
// 基类：人
class Person
{
public:
    string name;
    int age;

    void ShowPerson()
    {
        cout << "姓名: " << name << "，年龄: " << age << endl;
    }
};

// 派生类：老师（继承人）
class Teacher : public Person
{
public:
    string subject;

    void ShowTeacher()
    {
        cout << "姓名: " << name
            << "，年龄: " << age
            << "，教授科目: " << subject << endl;
    }
};

// 派生类：学生（继承老师）
class Student : public Teacher
{
public:
    string school;

    void ShowStudent()
    {
        cout << "姓名: " << name
            << "，年龄: " << age
            << "，教授科目: " << subject
            << "，学校: " << school << endl;
    }
};

int main()
{
    Student s;
    s.name = "呆头";       // 来自 Person
    s.age = 20;            // 来自 Person
    s.subject = "C++";     // 来自 Teacher
    s.school = "野鸡大学";  // 来自 Student

    s.ShowStudent();

    return 0;
}

运行结果

多链

cpp 复制代码 
// 基类：人
class Person
{
public:
    string name;
    int age;

    void ShowPerson()
    {
        cout << "姓名: " << name << "，年龄: " << age << endl;
    }
};

// 派生类：老师
class Teacher : public Person
{
public:
    string subject;

    void Teach()
    {
        cout << name << " 正在教授 " << subject << " 课程。" << endl;
    }
};

// 派生类：学生
class Student : public Person
{
public:
    string school;

    void Study()
    {
        cout << name << " 在 " << school << " 学习。" << endl;
    }
};

int main()
{
    Teacher t;
    t.name = "张老师";
    t.age = 35;
    t.subject = "C++";
    t.ShowPerson();
    t.Teach();

    cout << "------------------" << endl;

    Student s;
    s.name = "李华";
    s.age = 20;
    s.school = "宁夏大学";
    s.ShowPerson();
    s.Study();

    return 0;
}

2. 多继承

一个派生类有两个或者以上的直接基类时称这个继承关系为多继承，多继承对象在内存中的模型是先继承的基类在前面，后继承的基类在后面，派生类成员放在最后面。

多继承的使用方法是在子类的位置对多个父类使用逗号，进行间隔，其余方式public形式不变，进行继承

复制代码 
 Person       Teacher       Athlete
     \          |          /
      \         |         /
         ---->  Student
cpp 复制代码 
// 基类：人
class Person
{
public:
    string name;
    int age;
};

// 老师类
class Teacher
{
public:
    string subject;
    void Teach() { cout << "正在教授 " << subject << " 课程。" << endl; }
};

// 运动员类
class Athlete
{
public:
    string sport;
    void Train() { cout << "正在训练 " << sport << " 项目。" << endl; }
};

// 学生类（多继承）
class Student : public Person, public Teacher, public Athlete
{
public:
    string school;
    void Show()
    {
        cout << "姓名: " << name
             << "，年龄: " << age
             << "，学校: " << school
             << "，教授科目: " << subject
             << "，运动项目: " << sport << endl;
    }
};

int main()
{
    Student s;
    s.name = "李华";
    s.age = 20;
    s.school = "宁夏大学";
    s.subject = "C++";
    s.sport = "800米";

    s.Show();
    s.Teach();
    s.Train();
    return 0;
}

运行结果

3. 菱形继承

菱形继承是多继承的⼀种特殊情况。菱形继承的问题有数据冗余和⼆义性的问题。⽀持多继承就⼀定会有菱形继承，像Java就直接不⽀持多继承，规避掉了这⾥的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 基类：人
class Person
{
public:
    string name;
    int age;
};

// 老师继承人
class Teacher : public Person
{
public:
    string subject;
    void Teach()
    {
        cout << name << " 正在教授 " << subject << endl;
    }
};

// 运动员继承人
class Athlete : public Person
{
public:
    string sport;
    void Train()
    {
        cout << name << " 正在训练项目：" << sport << endl;
    }
};

// 学生同时继承老师与运动员
class Student : public Teacher, public Athlete
{
public:
    string school;

    void Show()
    {
        // ⚠️ 错误：编译器不知道 name 是哪个基类的
        // cout << "姓名: " << name << endl; // ❌ 二义性

        cout << "Teacher::name = " << Teacher::name << endl;
        cout << "Athlete::name = " << Athlete::name << endl;
        cout << "学校: " << school << endl;
    }
};

int main()
{
    Student s;
    s.Teacher::name = "张老师";
    s.Athlete::name = "李同学"; // 各自一份 name
    s.subject = "C++";
    s.sport = "800米";
    s.school = "宁夏大学";

    s.Show();

    // 访问需要显式指定路径
    s.Teacher::Teach();
    s.Athlete::Train();

    return 0;
}

Student

├── Teacher::Person

│ ├── name

│ └── age

├── Athlete::Person

│ ├── name

│ └── age

└── school


3.1 菱形虚拟继承

如何解决菱形继承带来的弊端？------》使用虚拟继承！

以上述对象模型为例，在 Teacher 和 Athlete 继承 Person 时采用虚拟继承，即可避免 Student 同时拥有两份 Person 子对象。

  • 虚拟继承是一种专门用于解决菱形继承问题的机制，在其它普通继承场景下不建议使用。
  • 在 C++ 中，虚拟继承的使用方式是：当多个派生类继承自同一个公共基类，并且这些派生类又被同一个子类多继承时，应当在这些"中间层"父类继承公共基类的地方，使用 virtual 关键字进行修饰。(上述示例就应该在老师和运动处使用virtual进行修饰)
cpp 复制代码 
class Person
{
public:
    string name;
    int age;
};

// 老师虚继承人
class Teacher : virtual public Person
{
public:
    string subject;
};

// 运动员虚继承人
class Athlete : virtual public Person
{
public:
    string sport;
};

// 学生多继承
class Student : public Teacher, public Athlete
{
public:
    string school;

    void Show()
    {
        cout << "姓名: " << name << endl;  // ✅ 不再二义性
        cout << "学校: " << school << endl;
    }
};
3.2 菱形虚拟继承的原理

回顾我们上述示例是这样的继承关系：

复制代码 
      Person
     /      \
 Teacher     Athlete
     \      /
     Student
  • 如果Student同时继承Teacher和Athlete，他就会有两份Person成员（一次从Teacher一次从Athlete），这样会造成数据冗余。
  • 调用Student的Person的成员函数或者访问成员变量的时候，编译器就不知道选择Teacher中的还是Athlete中的那一份，就造成了二义性。
3.2.1 内存布局

虚拟继承会让共享的基类在内存中只有一份 ，并且派生类通过 虚基表（vbt/vptr类似） 来找到这份共享的基类。

复制代码 
Student 对象布局（虚继承）：
[ Student 部分 ][ Teacher 部分 ][ Athlete 部分 ][ Person(共享) ]

注意 Person 只存在一份。

  • 每个通过虚继承的中间类（Teacher、Athlete）内部不直接包含 Person 成员，而是 包含一个指向共享 Person 的指针（实际上是偏移量）。
  • 当 Student 被实例化时，最终会在对象末尾放置一份 Person 数据。
  • 所有通过虚继承的类访问 Person 时，通过偏移量找到唯一的 Person。

示意图：

复制代码 
Student 内存：
[ Student fields ]
[ Teacher fields | pointer_to_shared_Person ]
[ Athlete fields | pointer_to_shared_Person ]
[ Shared Person fields ]
3.2.2 虚表（vtable/vptr）调整

虚继承通常涉及两个表：

普通虚表 ：用于多态函数调用。
虚基表（VBT）：用于找到虚继承基类的偏移量。
访问虚基类成员时：

  • 编译器生成代码不是 this + offset_of_Person_in_Teacher。
  • 而是 this + vbt_offset → 找到唯一 Person。

举例：

cpp 复制代码 
Student s;
s.Teacher::Person::name = "Alice"; // 编译器查找 Teacher 的虚基表 -> 定位到 Student 中唯一的 Person

底层逻辑 ：
this 是 Student 的起始地址 → 查找虚基表中的 Person 偏移量 → 访问共享 Person。

3.2.3 构造函数调用顺序

虚继承的构造顺序也不同：

  1. 最顶层虚基类（Person）先构造。
  2. 然后是非虚中间类（Teacher、Athlete）。
  3. 最后是最派生类（Student）。

这保证了 虚基类只构造一次，防止重复初始化。

总结底层逻辑

虚拟继承的本质可以理解为：

  1. 共享基类唯一实例 → 解决数据冗余。
  2. 虚基表存偏移量 → 动态定位虚基类成员，解决二义性。
  3. 构造顺序调整 → 确保虚基类只构造一次。
  4. 对象访问成本略高 → 需要间接查找偏移量，但换来安全和唯一性。

换句话说，虚拟继承底层就是：

"中间类不直接存虚基类，而是存一个指向虚基类偏移的指针；派生类实例化时才分配唯一的虚基类存储。"

总结

C++ 继承方式灵活多样，单继承简单直观，多继承可组合功能但可能出现二义性，而菱形继承会导致数据冗余和访问冲突；虚拟继承通过共享基类实例和虚基表机制有效解决菱形继承问题，同时调整构造顺序保证基类唯一初始化，是处理复杂继承关系的关键技术。

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