C++继承与多态—多重继承的那些坑该怎么填

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一、虚基类和虚继承

虚基类：被虚继承的类，就称为虚基类

virtual作用：

1. virtual修饰成员方法是虚函数
2. 可以修饰继承方式，是虚继承，被虚继承的类就称为虚基类

注意与抽象类（有纯虚函数的类）区分开来

来看这段代码：

class A
{
public:
private:int ma;
};class B : public A
{
public:
private:int mb;
};
//A a; 4个字节
//B b; 8个字节

使用指令cl xxx.cpp -d1reportSingleClassLayoutA和cl xxx.cpp -d1reportSingleClassLayoutB看一下

如果采用虚继承

class B : virtual public A

再来看一下，B从8字节变为了12字节了

分析：当我们遇到虚继承时候，要考虑派生类B的内存布局时，首先我们先不考虑虚继承。类B继承了基类A的ma，还有自己的mb；当我们基类A被虚继承后，基类A变为虚基类，虚基类的数据一定要被挪到派生类数据的最后面，再在最前面添加一个vbptr

来看一些例题

class A {};
sizeof(A)=1 //空类大小是1class B : public A {};
sizeof(B) = 1

class A
{virtual void fun() {}
};
sizeof(A)=1class B : public A {};
sizeof(B) = 4 //B的内存里有vfptr

class A
{virtual void fun() {}
};
sizeof(A)=1class B : virtual public A {};
sizeof(B) = 8 //B的内存里有vfptr和vbptr

总结：

• vfptr：一个类有虚函数，这个类生成的对象就有vfptr，指向vftable
• vbptr：派生类中虚继承基类，会有vbptr
• vftable：存放RTTI指针（指向运行时RTTI信息）、虚函数地址。
• vbtable：第一行为向上偏移量，第二行为vbptr离虚基类数据在派生类内存中的偏移量。

接下来再来看，当虚基类指针与虚函数指针在一起出现的时候会发生什么呢？

class A
{
public:virtual void func() { cout << "call A::func" << endl; }
private:int ma;
};class B : virtual public A
{
public:void func() { cout << "call B::func()" << endl; }
private:int mb;
};int main()
{// 基类指针指向派生类对象，永远指向的是派生类中基类部分数据的起始地址A* p = new B();p->func();delete p;return 0;
}

可以看到，调用是没有被影响到的，但是delete会出错

分析：
B的内存布局：B首先从A中获取vfptr与ma，B中还有自己的mb

此时A被虚继承，从A中继承来的所有的东西都移动到派生类的最后面，然后在最前面补一个vbptr，vbptr指向vbtable，vfptr指向vftable

基类指针指向派生类对象，永远指向的是派生类基类部分数据的起始地址

普通情况下，派生类内存布局先是基类数据，再是派生类自己的数据，基类指针指向派生类对象时，基类指针指向的就是派生类内存的起始部分。

但是在虚继承下，基类为虚基类，虚基类的数据被挪到派生类最后面，最前面补上vbptr，此时再用基类指针指向派生类对象时候，基类指针还是指向派生类基类部分数据的起始地址，也即指向vfptr，这也是能正常调用p->func();的原因

那么在释放内存的时候呢？现在p指向的是vfptr，从vfptr开始释放内存，，而对象内存现在是从vbptr开始，这就出错了

验证一下：

class A
{
public:virtual void func() { cout << "call A::func" << endl; }void operator delete(void* p){cout << "operator delete p:" << p << endl;free(p);}
private:int ma;
};class B : virtual public A
{
public:void func() { cout << "call B::func()" << endl; }void* operator new(size_t size){void* p = malloc(size);cout << "operator new p:" << p << endl;return p;}
private:int mb;
};int main()
{// 基类指针指向派生类对象，永远指向的是派生类中基类部分数据的起始地址。A* p = new B();cout << "main p:" << p << endl;p->func();delete p;return 0;
}

operator new p:00D316A0
main p:00D316A8
call B::func()
operator delete p:00D316A8

可以看到，从A0开始new的，返回给p的是A8，delete的时候也是A8，也就是从vfptr开始释放的，这是不对的

但是，这段代码也能说是错的，这和编译器有关，在Windows的vs中，是从vfptr开始释放的，但是在linux的g++下，会自动偏移到new出来的内存的起始部分来进行释放

如果在栈上开辟内存，基类指针指向派生类对象，出了作用域自己进行析构，不涉及内存的释放，这样是没有问题的，正常运行不会报错

B b;
A *p = &b;
cout << "main p:" << p << endl;
p->func();

运行结果：

main p:010FFE04
call B::func()

使用命令cl xxx.cpp -d1reportSingleClassLayoutB查看一下

再来看，这时有人会问了，派生类为啥不像下面这样画呢？

如果是这样画，也就是vfptr属于B的作用域，这是不对的，因为A中有虚函数，vfptr是从A中继承而来的

如果真的这样画的话，那就是基类中没有虚函数，从派生类中才有的虚函数

二、菱形继承的问题

多重继承：可以复用多个基类的代码到派生类中

但是多重继承中也会出现问题：菱形继承、半圆形继承等

这些都会导致派生类有多份间接基类的数据，此时可以采用虚继承来解决

菱形继承代码：

class A
{
public:A(int data) : ma(data) { cout << "A()" << endl; }~A() { cout << "~A()" << endl; }
protected:int ma;
};
//==========================================================
class B : public A
{
public:B(int data) : A(data), mb(data) { cout << "B()" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }
protected:int mb;
};class C : public A
{
public:C(int data) : A(data), mc(data) { cout << "C()" << endl; }~C() { cout << "~C()" << endl; }
protected:int mc;
};
//==========================================================
class D : public B, public C
{
public:D(int data) : B(data), C(data), md(data) { cout << "D()" << endl; }~D() { cout << "~D()" << endl; }
protected:int md;
};int main()
{D d(10);return 0;
}

运行结果：

A()
B()
A()
C()
D()
~D()
~C()
~A()
~B()
~A()

来看一下D的内存布局

用指令cl xxx.cpp -d1reportSingleClassLayoutD看看

可以看到调用了两次A的构造，同时数据重复了

怎么解决呢？虚继承

class A { ... };
//==========================================================
class B : virtual public A { ... };
class C : virtual public A { ... };
//==========================================================
class D : public B, public C { ... };

此时内存布局变了，解决了多份数据的问题

用指令cl xxx.cpp -d1reportSingleClassLayoutD看看

但是注意，此时编译会报错，因为现在A::ma靠在了D的作用域上面，我们要在D里面给A初始化

class D : public B, public C
{
public:D(int data) : A(data), B(data), C(data), md(data) { cout << "D()" << endl; }~D() { cout << "~D()" << endl; }
protected:int md;
};

再运行看一看结果：

A()
B()
C()
D()
~D()
~C()
~B()
~A()

多重继承的好处：可以做更多代码的复用，比如上面的例子，D继承自B和C，那么就可以B* p = new D();或C* p = new D();，有两个基类，两个基类指针都可以指向派生类对象