菱形虚拟继承的原理

目录摘要一 菱形继承的概念及问题1概念2问题二虚拟菱形继承1语法2原理①菱形继承的内存分布②虚拟菱形继承的内存分布③偏移量④对偏移量的质疑三虚拟菱形继承对最派生类构造函数的影响四VS监视窗口的欺骗性摘要本文先介绍菱形继承的概念及其引发的问题再引出解决方案——虚拟菱形继承说明其语法与原理并重点讲解其中的偏移量。随后分析虚拟菱形继承对最派生类构造函数的影响最后解释监视窗口在观察虚拟菱形继承时具有欺骗性的原因。一 菱形继承的概念及问题1概念什么是菱形继承如下图Person类被Student和Teacher类继承然后Assistant类又同时继承了Student和teacher类这种结构就是菱形继承2问题菱形继承的问题就在于Student类中有从Person继承下来的_name对象Teacher中也有从Person继承下来的_name对象此时是没有任何问题的但是当Assistant类同时继承Student类和Teacher类此时的Assistant类中不就存在了两份_name吗这就是菱形继承带来的问题所以菱形继承形状不一定是严格的菱形比如上面的Student可以先被A类继承然后Assistant类再同时继承类A和类teacher也叫菱形继承因为Assistant类中仍然同时存在两份_name菱形继承代码⚠️我们想通过Assistant类对象去访问_name成员变量就会出错class Person { public: string _name; //姓名 }; class Student : public Person { protected: int _num; //学号 }; class Teacher : public Person { protected: int _id; //编号 }; class Assistant : public Student, public Teacher { protected: string _majorCourse; //主修课程 }; void Test() { Assistant a; a._name peter;//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; }解释菱形继承存在数据冗余和二义性的问题①二义性当我们通过Assistant类对象a去a._name访问_name时此时编译器不知道我们到底想访问哪一个_name所以就会报错目标不明确这就叫二义性所以我们需要显示地指定访问哪个父类的_name才能解决二义性问题②数据冗余仍存在两份_name这就叫数据冗余此问题仍无法解决 因为正常来说我们是不希望Assistant类对象中存在两份_name的在大部分场景中冗余不是意图而是意外所以不应该同时存在两份_name只存在一份才是正确的并且只存在一份我们也就不会存在二义性的问题了~所以将菱形继承变成虚拟菱形继承就可以同时解决数据冗余和二义性的问题了~二虚拟菱形继承专业名词①可以叫虚拟菱形继承也可以叫菱形虚拟继承②可以叫父类子类也可以叫基类派生类③在一个菱形继承中基类不止一个但最基类只有一个比如person和Student和Teacher都是基类但是只有person是最基类在虚拟菱形继承中一般叫Person为虚基类④同理Student和Teacher和Assistant都是派生类但是只有Assistant是最派生类在后面的讲解中需要着重用到虚基类和最派生类这两个名词~❓️那怎么把菱形继承变成虚拟菱形继承很简单那就是使用关键字virtual修饰腰部的类在上述菱形继承中腰部就是Student和Teacher类修饰之后就变成了虚拟菱形继承~1语法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; //编号 }; class Assistant : public Student, public Teacher { protected: string _majorCourse; //主修课程 }; void Test() { Assistant a; a._name peter;//正确不再有二义性和数据冗余的问题 }解释如上所述在腰部类位置也就是Student和Teacher位置加上virtual关键字2原理现在我们将菱形继承模型简化如下再借助内存窗口观察比较菱形继承和虚拟菱形继承对象成员的模型就能理解虚拟类型继承的原理了~①菱形继承的内存分布//类A class A { public: int _a; }; //B虚拟继承A class B : public A { public: int _b; }; //C虚拟继承A class C : public A { public: int _c; }; //D再继承B和A class D : public B, public C { public: int _d; }; int main() { D d; //对成员变量的赋值 d.B::_a 1; d.C::_a 2; d._b 3; d._c 4; d._d 5; return 0; }解释我们此时并没有虚拟继承所以仍然存在两份_a我们让类B中的_a为1类C中的_a为2在让_b_c_d为345内存窗口观察可以发现a红框就是d对象其中存放了所有的变量无论是继承(1,2,3,4)和还是自己的(5)b1和3紧挨因为类B中是这两个成员变量2和4紧挨着因为类C中是这两个成员变量cd的成员变量放在最后②虚拟菱形继承的内存分布//类A class A { public: int _a; }; //B虚拟继承A class B : virtual public A { public: int _b; }; //C虚拟继承A class C : virtual public A { public: int _c; }; //D再继承B和A class D : public B, public C { public: int _d; }; int main() { D d; //对成员变量的赋值 d.B::_a 1; d.C::_a 2; d._b 3; d._c 4; d._d 5; return 0; }解释①首先 d.B::_a 1;和d.C::_a 2;这两句代码就是多此一举的因为我们上面说过虚拟菱形继承会解决二义性和数据冗余的问题所以_a是只有一份的在这里我们可以通过d._a直接访问得到上面这两句代码虽然不报错但是本质是对同一个_a反复修改罢了在理解了虚拟菱形继承之后根本不会这么写....②至于为什么可以通过d._a直接访问得到内存观察就知道了内存窗口观察可以发现a红框就是d对象其中存放了所有的变量无论是继承(3,4,2)和还是自己的(5)b3位于类B中4位于类C中而类D的5位于类B和类C的下面在5的后面才是类A中的_a成员变量c所以可以通过d._a直接访问得到的原因就是因为对于类D而言_a不存在于任何一个类D的父类中(不在类B或类C中)而是在类D中且处于末尾(位于类C的成员变量之后)③不同环境下的虚拟菱形继承对于虚基类(最基类)的_a存储的位置可能不同(可能不是放在类D对象的末尾)但一定是存储在类D这种最派生类中的而不是在类B和类C中④所以虚拟菱形继承的原理就是把虚基类(最基类)A中的数据冗余的_a只存储一份放在了最派生类D类对象末尾中这样就解决了二义性和数据冗余的问题符合我们只想要一个_a的预期③偏移量在上述②的解释中我们发现类B和类C中的第一行存放了一个地址这有什么意义解释虚继承中B和C类中额外存放了一个地址该地址是一级指针其指向的地方是虚基表虚基表是一个数组其第二个元素就是各自的类和_a的相隔字节数也叫作偏移量所以类B可以通过自己的虚基表中对应的偏移量找到_a而类C同理~④对偏移量的质疑质疑1❓️为什么这么麻烦不直接把偏移量直接存放在类B和类C中却要存放一个地址该地址指向的虚基表中才有偏移量1首先偏移量有时不止一个这里只有一个是因为现在是单个虚基类的场景在多个虚基类场景中对于类B而言就不止需要一个偏移量了两个虚基类的代码例子class A { public: int _a 0xA; }; class X { public: int _x 0xX; // 占位下面改掉 }; class B : virtual public A, virtual public X { public: int _b 0xB; }; class C : virtual public A, virtual public X { public: int _c 0xC; }; class D : public B, public C { public: int _d 0xD; };解释在这种情况下对于类B就需要两个偏移量了一个找到虚基类A的_a一个找到虚基类X的_x所以这也是为什么选择设计为指针指向虚基表这种形式....质疑2❓️虚基表第一个元素为0是什么意思2第一个数据是为多态的虚表预留的存偏移量的位置这里我们不必关心注意虚表是多态的而虚基表和虚基类是菱形继承中的质疑3❓️单独的B类对象其的偏移量还是D类对象中的偏移量吗3不是首先我们上面的场景探究的是创建了一个D类对象d在d对象中继承自类B的部分的偏移量而现在我们探究单独创建一个B类对象如上图可知在虚拟菱形继承中并不是只有最派生类对象才是把单独的_a存储在最末尾B类对象和C类对象都是类似存在其末尾所以对于单独的B类对象b来说偏移量当然不同了此时偏移量就是8个字节了C类对象同理~此外还有一个场景也会产生单独的B类对象那就是把一个D类对象d赋给B类对象b首先这句话是没有语法上的错误的虽然b和d不是一个自定义类型不能转换但是由于其是继承(父子)关系而在继承中父类的指针可以接受子类地址父类引用可以接受子类对象这是继承的特性所以用 D 类对象 d 来初始化 B 类对象 b(B b d;)会触发 B 的拷贝构造函数因为 d 可以绑定到b对象拷贝构造的const B形参上(父类引用可以接受子类对象)所以拷贝构造会新建一个独立的 B 对象并把它的虚基表指针设成“B 单独场景”的虚基表偏移量也是8~如下在继承中我们可以直接创建父类对象也可以通过子类对象拷贝构造出父类对象这两种情况下产生的都是一个独立的父类对象所以在虚拟菱形继承中这两种父类对象都是把虚基类的成员变量放在末尾的从而用偏移量去找到三虚拟菱形继承对最派生类构造函数的影响场景Person被Student和Teacher虚拟继承Assistant继承了Student和TeacherPerson类成员变量为一个string类型字符串而Student和Teacher各自拥有一个int类型编号并且3个类均无默认构造函数(重点3个类Person Student Teacher均无默认构造函数)在继承中我们知道若父类无默认构造函数(需要传参构造)那么子类中的构造函数就需要进行显式的传参构造父类❓️而虚拟菱形继承中当然也有父子关系那既然虚拟菱形继承导致虚基类(最基类)的成员变量_name只存储了一份并且存储在了最派生类中那请问对于这个最基类Person而言谁去负责显示构造Person类的_name正确代码如下class Person { public: Person(const char* name) :_name(name) {} string _name; // 姓名 }; class Student : virtual public Person { public: Student(const char* name, int num) :Person(name) , _num(num) {} protected: int _num; //学号 }; class Teacher : virtual public Person { public: Teacher(const char* name, int id) :Person(name) , _id(id) {} protected: int _id; // 职⼯编号 }; // 不要去玩菱形继承 class Assistant : public Student, public Teacher { public: Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3) :Person(name3) , Student(name1, 1) , Teacher(name2, 2) {} protected: string _majorCourse; // 主修课程 };解释①既然虚基类(最基类)Person的成员变量_name在最派生类Assistant类中那么自然Assistant类的构造函数应该显式去传参构造Person类所以在Assistant类的构造函数中进行:Person(name3);②此外因为Student和Teacher类中也没有默认构造函数所以当然也要在身为子类的Assistant类的构造函数中显式调用Student和Teacher类的构造函数去构造所以进行Student(name1, 1)和Teacher(name2, 2);所以Assistant类的构造函数这样写Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3) : Person(name3) , Student(name1, 1) , Teacher(name2, 2) {}❓️为什么非要像上面这么操作呢Assistant类继承了Student和teacher不就只需显式构造Student和Teacher就行了吗让Student和Teacher的构造函数内部再去显式调用person的构造函数岂不美哉早说了因为Person的成员变量_name在最派生类Assistant类中不在Student和Teacher类中所以你无法通过Student和Teacher类对Person进行构造真正起作用的就是在Assistant构造函数中显式调用的Person的构造函数❓️那为什么上面代码还是在Student和Teacher类对Person进行构造呢因为C规定虚基类(最基类)的构造初始化由最派生类负责除此之外Student和Teacher类中也要进行Person(name)操作但重点来了Student和Teacher类中的Person(name)都是不会被执行的但是必不可少因为Student和Teacher类中不知道自己会被继承更不知道自己会成为菱形继承或虚拟菱形继承的一部分所以在Student和Teacher类的视角来看他们只是处于一个简单的单继承中他们的父类是Person仅此而已所以根据要求他们当然要显式调用构造Person类的总结构造 Assistant 时构造顺序如下虚基类 Person1直接基类 Student2按继承列表顺序直接基类 Teacher3按继承列表顺序Assistant 自己的成员 major(4)Assistant 构造函数体(5)③int main() { // 思考⼀下这⾥a对象中_name是张三, 李四, 王五中的哪⼀个 Assistant a(张三, 李四, 王五); return 0; }当然是王五了因为Assistant类构造函数如下Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3) :Person(name3) , Student(name1, 1) , Teacher(name2, 2) {}其中的name3传递给Person所以_name为王五易错理解name1给了Student类构造函数参数name而Student构造函数内部又把name给了Person(name)同理Teacher也这样由于Teacher后被继承所以Person类的_name应该是李四才对这是错的因为在上文讲过在此份代码中是不会执行Student和Teacher类中的构造函数中的Person(name)操作的真正起作用的就是在Assistant构造函数中显式调用的Person的构造函数但是不能单纯进行Assistant a(王五);因为要符合Assistant构造函数语法规则它需要三个参数。你只传一个参数数量不匹配直接编译错误。这跟虚继承无关就是普通的函数调用参数个数不对。四VS监视窗口的欺骗性class A { public: int _a; }; // class B : public 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._a 1; d._b 2; d._c 3; d._d 4; return 0; }解释VS监视窗口观察d对象经过我们的学习我们知道_a只存有一份位于d对象的末尾但是当我们调用监视窗口时会发现B类中有_aC类中有_aA类中也有_a貌似有3个_a但是其实三个_a地址都一样都是同一个_a所以_a依旧只存在一份这里这么显示是因为监视窗口已经不是真实的了是经过处理的所以导致virtual修饰腰部之后仍然有多个_a借助内存窗口来看就会发现地址相同~继承的总结和反思①很多人都说C语法复杂其实多继承就是一个体现。有了多继承就可能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菱形继承否则代码在复杂度及性能上都容易出现问题当菱形继承出问题时难以分析并且会有一定的效率影响。②多继承可以认为是C的缺陷之一很多后来的OO(Object Oriented)语言都没有多继承如Java。 [ 作者 ] shylyly [ 首次发布 ] 2025.3.24❌ [ 最新修改 ] 2026.9.23 [ 声明 ] 由于笔者水平有限文中难免有疏漏或不妥之处还望读者不吝赐教