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2019-01-21
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摘要：本文主要向大家介绍了 C/C++知识点之C++ 继承、多继承、虚拟继承对象模型，通过具体的内容向大家展示，希望对大家学习C/C++知识点有所帮助。
本文主要向大家介绍了 C/C++知识点之C++ 继承、多继承、虚拟继承对象模型，通过具体的内容向大家展示，希望对大家学习C/C++知识点有所帮助。
C++面向对象语言一大难点是继承，但又是不得不掌握的。简单的继承是很容易理解的，但是当涉及到多继承，设计到虚函数的继承，特别是涉及到虚继承时，问题就会变得复杂。下面的内容来自参考资料中的三篇文章。C++的继承学习中，最主要是要掌握派生类的对象模型，基类和派生类指针之间的向上向下类型转换，当继承中的出现虚函数成员函数的访问（多态），虚继承是如何通过引入虚基表解决“菱形继承”中存在多份公共基类的问题。
一、简单的对象模型
1.定义
class MyClass {
public:
int var;
void foo(){} //普通成员函数
virtual void fun() {} //虚拟成员函数
};
MyClass对象大小是8个字节。前四个字节存储的是虚函数表的指针vfptr，后四个字节存储对象成员var的值。虚函数表的大小为4字节，就一条函数地址，即虚函数fun的地址，它在虚函数表vftable的偏移是0。因此，MyClass对象模型的结果如图下图所示（在64位机器中，指针的大小是8个字节。所以MyClass对象大小是应该是16个字节。前8个字节存储的是虚函数表的指针vfptr，后四个字节存储对象成员var的值，加上内存对齐是16个字节）
MyClass的虚函数表虽然只有一条函数记录，但是它的结尾处是由4字节的0作为结束标记的。
adjust表示虚函数机制执行时，this指针的调整量，假如fun被多态调用的话，那么它的形式如下：
*(this+0)[0]()
总结虚函数调用形式，应该是：
*(this指针+调整量)[虚函数在vftable内的偏移]()
二、单继承
定义派生类MyclassA，继承自MyClass类，重写了foo(),fun(),定义了funA()。
在单继承形式下，子类的完全获得父类的虚函数表和数据。子类如果重写了父类的虚函数（如fun），就会把虚函数表原本fun对应的记录（内容MyClass::fun）覆盖为新的函数地址（内容MyClassA::fun），否则继续保持原本的函数地址记录。如果子类定义了新的虚函数，虚函数表内会追加一条记录，记录该函数的地址（如MyClassA::funA）。它的对象模型如下图所示。
class MyClassA: public MyClass {
public:
int varA;
void foo(){
}
virtual void fun() {
}
virtual void funA() {
}
};
非虚继承下的向上向下类型转换是容易的，使用静态转换完成。当派生类重写了基类的方法时，普通成员函数的访问取决于指针的类型，虚函数的访问取决于指针所指向的内容。对于非虚的成员函数来说，调用哪个成员函数是在编译时，根据“->”操作符左边指针表达式的类型静态决定的。对于虚函数调用来说，调用哪个成员函数在运行时 决定。不管“->”操作符左边的指针表达式的类型如何，调用的虚函数都是由指针实际指向的实例类型所决定。（这就是c++中的多态）。为了实现这种机制，引入了隐藏的vfptr 成员变量。 一个vfptr被加入到类中（如果类中没有的话），该vfptr指向类的虚函数表（vftable）。类中每个虚函数在该类的虚函数表中都占据一项。每项保存一个对于该类适用的虚函数的地址。因此，调用虚函数的过程如下：取得实例的vfptr；通过vfptr得到虚函数表的一项；通过虚函数表该项的函数地址间接调用虚函数。也就是说，在普通函数调用的参数传递、调用、返回指令开销外，虚函数调用还需要额外的开销。
例如下例子中：
普通成员函数foo()函数的调用，无论对象的内容是什么，derivaed->foo()始终调用派生类中的foo函数，base->foo()始终调用基类中foo函数。
虚函数调用取决于指针所指向的对象类型，例如第一个base->fun()，因为base指向的是一个派生对象，调用的是派生类中的fun()方法。同类向下转换中derivedA->fun()调用的是基类中的fun（）函数。
//向上转换
MyClassA* derivedA= new MyClassA();
MyClass* base = static_cast
derivedA->foo(); //MyClassA:foo()
derivedA->fun(); //MyClassA:fun()
base->foo(); //MyClass:foo()
base->fun(); //MyClassA:fun() 多态
//向下转换base = new MyClass();
derivedA = static_cast
base->foo(); //MyClass:foo()
base->fun(); //MyClass:fun()
derivedA->foo(); //MyClassA:foo()
derivedA->fun(); //MyClass:fun()
三、多继承
为了介绍，定义MyClassB，MyClassB和MyClassA类似，就不赘述了。同时也定义一个MyClassC同时继承自MyClassA、MyClassB。
class MyClassB: public MyClass {
public:
int varB;
void foo(){}
virtual void fun() {}
virtual void funB(){}
};
class MyClassC : public MyClassA,public MyClassB{
public:
int varC;
void foo(){}
virtual void funB(){}
virtual void funcC(){}
};
和单重继承类似，多重继承时MyClassC会把所有的父类全部按序包含在自身内部，而且每一个父类都对应一个单独的虚函数表。多重继承下，子类不再具有自身的虚函数表，它的虚函数表与第一个父类的虚函数表合并了。同样的，如果子类重写了任意父类的虚函数，都会覆盖对应的函数地址记录。如果MyClassC重写了fun函数（两个父类都有该函数），那么两个虚函数表的记录都需要被覆盖！在这里我们发现MyClassC::funB的函数对应的adjust值是12，按照我们前边的规则，可以发现该函数的多态调用形式为：*(this+12)[1]()此处的调整量12正好是MyClassB的vfptr在MyClassC对象内的偏移量。（32位的机器）
多继承和单继承一样都可以使用静态转换完成向下的类型转换，但是转换到不同类型，指针的地址是不同的。
MyClassC* ddc = new MyClassC();
MyClassA* da = static_cast
MyClassB* db = static_cast
cout << ddc << endl; //0x11a7c20
cout << da << endl; //0x11a7c20，第一个继承类MyClassA
cout << db << endl; //0x11a7c30，第二个继承类MyClassB
另外，在这个多继承关系中，两个继承类MyClassA和MyClassB都继承类MyClass类，这种继承关系也被称为”菱形“继承。
细心的读者会发现，派生类存在多份，公共基类的成员，本样例中的var成员变量。
菱形继承关系中，直接向上转换成公共基类会是不可以的，也无法直接访问公共基类的成员，因为在编译器看来都是模糊的行为，不知道来自MyclassA还是MyClassB，编译器都会报错
MyClass* base = static_cast
cout << ddc->var << endl;
error: ‘MyClass’ is an ambiguous base of ‘MyClassC’
error: request for member ‘var’ is ambiguous
正确的做法要指明来自哪个继承类，避免产生歧义
MyClass* base = static_cast
cout << ddc->MyClassA::var << endl;
四、虚继承
C++中为了避免菱形继承中，派生类存在多费公共基类的拷贝问题，引入了虚继承的概念。
虚继承中引入了虚基表指针，使得继承问题变得更加复杂。虽然在单继承中，一般不会出现虚继承，但是为了一步一步的理解虚继承还是从单继承的虚继承开始。
使用虚继承非常简单，只需要在普通继承前面加上virtual关键字就可以啦，例如MyClassA虚继承自MyClass类：
class MyClassA: virtual public MyClass {
public:
int varA;
void foo(){
}
virtual void fun() {
}
virtual void funA() {
}
};
MyClassA对象的内存布局，MyClassA类的大小在VS64位平台下是40个字节，GCC64位平台32个字节。这两种在虚继承上的实现可能有些不同，这里以VS编译器为类介绍MyClassA对象的模型。下面是使用vs2012看到到MyClassA的
class MyClassA size(40):1> +---1> 0 | {vfptr}1> 8 | {vbptr}1> 16 | varA1> |
转换成图形，如下图所示，vbtable中的-8表示第一个vfptr与vbptr之间的偏移差，16表示第二个vfptr与vbptr之间的偏移差。
我们所过虚继承最大的意义在于“菱形继承”中避免派生类拥有多份公共积累的内容。同类重新定义MyClassB虚继承自MyClass，MyClassA继承自MyClassA和MyClassB。
MyClassB的内存结构和MyClassA的内存结构类似，不再赘述了。主要分析MyClassC的内存结构。
class MyClassB: virtual public MyClass {
public:
int varB;
void foo(){}
virtual void fun() {}
virtual void funB() {}
};
class MyClassC : public MyClassA,public MyClassB{
public:
int varC;
void foo(){}
virtual void funB(){}
virtual void funC(){} virtual void fun(){}
};
1> class MyClassC size(72):1> +---1> | +--- (base class MyClassA)1> 0 | | {vfptr}1> 8 | | {vbptr}1> 16 | | varA1> | |
注意一下MyClassC对象模型，发现从上到下显示虚继承类的内容，按照继承顺序先是MyClassA的内容，然后是MyClassB的内容，最后是公共基类的内容，例外每个虚继承类都带有一个虚基表指针。
虚继承中虚拟公共基类成员的访问：
虚拟继承能避免菱形继承中公共基类成员访问会产生歧义的问题，是怎么做到的呢？我们知道在在非继承、单继承甚至多继承关系中，成员的访问都是通多基类指针和基类成员之间的偏移量来完成的。虚继承中，访问虚基类的成员任然是计算固定偏移量，但是访问公共的虚基类的成员，开销就变得非常大，需要访问两个虚拟指针的内容，具体的步骤如下：
MyClassC* vddc = new MyClassC();
cout << vddc->var << endl;
1.获取一个虚基表指针，这里是第一个vbtr
2.获取虚基表中某一项的内容，这里是40
3.把内容中指出的偏移量加到“虚基类表指针”的地址上，访问公共的虚基类的内容。
虚继承中的向上向下类型转换：
1.虚继承中向上转换和一般继承一样，使用static_cast静态转换
MyClassC* vddc = new MyClassC();
MyClassA* vda = static_cast
2.虚拟继承中的公共的虚拟基类向下转换是不可以使用静态转换的，因为需要运行时的信息。
MyClass* vd = new MyClass();
MyClassC* vddc = static_cast
error: cannot convert from pointer to base class ‘MyClass’ to pointer to derived class ‘MyClassC’ because the base is virtual
需要使用动态转换，dynamic_cast
MyClass* vd = new MyClass();
MyClassC* vddc = dynamic_cast
通过以上的描述，我们基本认清了C++的对象模型。尤其是在多重、虚拟继承下的复杂结构。通过这些真实的例子，使得我们认清C++内class的本质，以此指导我们更好的书写我们的程序。本文从对象结构的角度结合图例为大家阐述对象的基本模型，和一般描述C++虚拟机制的文章有所不同。作者只希望借助于图表能把C++对象以更好理解的形式为大家展现出来，希望本文对你有所帮助。
本文由职坐标整理并发布，希望对同学们有所帮助。了解更多详情请关注职坐标编程语言C/C+频道！
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