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C++基础面试题 | 什么是C++中的虚继承？

article 2024/9/20 7:53:37

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文章目录

- 回答重点
- - 菱形继承问题
  - 虚继承解决菱形继承问题
  - 虚继承的二义性解决
- 虚继承总结
- 拓展知识：virtual关键字的用法
- - 1. 虚函数 (Virtual Function)
  - 2. 纯虚函数 (Pure Virtual Function)
  - 3. 虚析构函数 (Virtual Destructor)
  - 4. 虚继承 (Virtual Inheritance)
  - 5. 虚函数表 (Vtable) 和虚函数指针 (Vptr)

回答重点

虚继承是C++中的一种继承方式，用于解决菱形继承（也称为钻石继承）问题。虚继承可以确保从一个共同基类派生的多个子类只会在最派生类中继承一份该基类的成员，而不会产生多个冗余基类，从而避免冗余和二义性。

菱形继承问题

假设有以下继承结构：

    A
   / \
  B   C
   \ /
    D

在这个继承关系中，类 B 和类 C 都继承自类 A，然后类 D 同时继承自 B 和 C。这就形成了一个菱形结构。

在非虚继承的情况下，D 会有两份 A 的成员：一份来自 B，一份来自 C。这不仅浪费内存，还会引发二义性问题。例如，D 对象调用 A 类中的成员时，编译器无法确定该成员来自 B 继承的 A，还是来自 C 继承的 A。

虚继承解决菱形继承问题

为了避免这个问题，C++引入了虚继承。通过虚继承，基类 A 在子类 B 和 C 中只会有一份副本，而不是每个派生类保留一份副本。

语法
虚继承通过在继承时加上 virtual 关键字实现：

class A {
public:
    int value;
};

class B : virtual public A {
    // 虚继承A
};

class C : virtual public A {
    // 虚继承A
};

class D : public B, public C {
    // D 从B和C继承，A只存在一份
};

B 和 C 都通过虚继承方式继承自 A，因此当 D 继承自 B 和 C 时，A 的成员在 D 中只存在一份。通过将中间的继承对象声明为虚继承，避免了基类冗余和二义性。

虚继承的二义性解决

即使通过虚继承解决了成员变量的二义性，构造函数的调用仍需要在派生类中明确指定。例如：

class D : public B, public C {
public:
    D() : A(), B(), C() {}  // 需要显式调用A的构造函数
};

虚继承总结

虚继承用于解决菱形继承问题。
在虚继承中，基类的成员只会有一份副本，从而避免冗余和二义性问题。
虚继承虽然解决了复杂继承结构中的问题，但引入了一定的复杂性，需要在构造函数中显式调用基类的构造函数。

拓展知识：virtual关键字的用法

virtual 关键字在C++中主要用于以下四个场景：

虚函数：实现多态。
纯虚函数：定义抽象接口。
虚析构函数：保证正确析构派生类对象。
虚继承：解决菱形继承中的二义性问题。

1. 虚函数 (Virtual Function)

虚函数用于实现运行时多态。当基类的函数被声明为虚函数时，派生类可以重写这个函数，并在通过基类指针或引用调用时，动态地选择调用派生类的函数版本。

语法：

class Base {
public:
    virtual void display() { 
        std::cout << "Base display" << std::endl; 
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void display() override {  // override 表示派生类重写基类虚函数
        std::cout << "Derived display" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* obj = new Derived();
    obj->display();  // 调用的是Derived类的display函数
}

关键点：

虚函数允许在运行时根据对象类型来决定调用哪个版本的函数。
派生类的函数如果与基类的虚函数同名并且参数相同，则会重写该虚函数。
可以使用 override 关键字显式声明重写，但这不是强制的。

2. 纯虚函数 (Pure Virtual Function)

纯虚函数是一种特殊的虚函数，用于在基类中定义接口而不提供实现，要求所有派生类必须实现该函数。包含纯虚函数的类称为抽象类，不能直接实例化。

语法：

class Base {
public:
    virtual void display() = 0;  // 纯虚函数
};

class Derived : public Base {
public:
    void display() override { 
        std::cout << "Derived display" << std::endl; 
    }
};

关键点：

包含纯虚函数的类不能被实例化，必须由派生类实现纯虚函数。
纯虚函数用于定义抽象接口，强制派生类实现特定功能。

3. 虚析构函数 (Virtual Destructor)

虚析构函数用于确保通过基类指针删除派生类对象时，能够正确调用派生类的析构函数，防止内存泄漏。

语法：

class Base {
public:
    virtual ~Base() { 
        std::cout << "Base Destructor" << std::endl; 
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() { 
        std::cout << "Derived Destructor" << std::endl; 
    }
};

int main() {
    Base* obj = new Derived();
    delete obj;  // 调用Derived的析构函数，然后调用Base的析构函数
}

关键点：

如果基类没有虚析构函数，通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，导致派生类的资源未释放。
使用虚析构函数保证了正确的析构顺序：先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数。

4. 虚继承 (Virtual Inheritance)

虚继承用于解决菱形继承问题，确保从多个派生类继承自同一个基类时，基类只被继承一份，避免重复继承和二义性。

语法：

class A {
public:
    int value;
};

class B : virtual public A { };  // 虚继承
class C : virtual public A { };  // 虚继承

class D : public B, public C { };  // D中只会有一份A