C++菱形继承内存模型
本文讲述了C++类菱形继承的内存模型,菱形模型是C++由于多继承这一特性而产生的一种特殊现象,即继承关系类似于菱形,例如B、C继承于A,D继承于B和C.(注:本文非特别说明,代码测试环境均为vs x86环境)
一、菱形继承导致的问题
1)冗余存储
在上面例子中, B、C继承于A,D继承于B和C,所以D中会有两份A中的成员,造成冗余存储。
可以通过以下代码验证,通过输出A、B、C、D四个类的大小.可以观察到,A的大小为4,B继承了A的成员,故而大小为8,同理C的大小为8,D继承了B和C,加上自身的成员,大小为20,但是通过继承B和C,D间接继承了两份A。
class A{
public:
int a_data;
};
class B :public A{
public:
int b_data;
};
class C :public A{
public:
int c_data;
};
class D :public B , public C{
public:
int d_data;
};
int main(){
cout << "sizeof(A)" << sizeof(A) << endl;
cout << "sizeof(B)" << sizeof(B) << endl;
cout << "sizeof(C)" << sizeof(C) << endl;
cout << "sizeof(D)" << sizeof(D) << endl;
return 0;
}
同时也可以通过调试,看到D对象的成员,包含两个a_data.
2)访问内部成员二义性
由于D中存在两份A类成员,所以在访问基类A的时候不能直接使用d.a_data进行访问,因为编译器不知道是通过B访问A类成员还是通过C访问A类成员。必须指明访问路径
cout << d.a_data << endl;
而使用d.B::a_data指明路径,就可以正确访问到a。
二、菱形继承问题解决方案
通过虚拟继承方案,让中间基类共享同一个A的实例,具体实现为让B和C各自携带一个虚基类表指针,指向共享的A实例的位置,从而使得D类对象只有一份A的成员。
D对象的构建过程为:先创建A对象,再创建B对象,在创建B对象的同时,将B的虚基表指针指向续基表,虚基表会存放A对象相对于当前B对象的偏移量,C对象创建同理,最后创建D对象。
通过以下代码,打印通过B和通过C路径获取的a_data成员,发现二者的地址是相同的,所以只存在一个A对象。同时打印类的大小,可以观察到:
A = a_data = 4;
B = b_data + vbptr + a_data = 12 (32位环境下)
C = c_data + vbptr + a_data = 12 (32位环境下)
D = B + C + d_data + a_data =24 (32位环境下)
class A{
public:
A(){
}
public:
int a_data;
};
class B :virtual public A{
public:
B() {}
public:
int b_data;
};
class C :virtual public A {
public:
C() {}
public:
int c_data;
};
class D :public B, public C {
public:
D() {}
public:
int d_data;
};
int main(){
A a;
B b;
C c;
D d;
printf("&d.B::a_data: %p\n", &d.B::a_data);
printf("&d.C::a_data: %p\n", &d.C::a_data);
d.B::a_data = 2025;
cout << d.C::a_data << endl;
cout << "sizeof(A)" << sizeof(A) << endl;
cout << "sizeof(B)" << sizeof(B) << endl;
cout << "sizeof(C)" << sizeof(C) << endl;
cout << "sizeof(D)" << sizeof(D) << endl;
cout << "a_data " << d.a_data << endl;
return 0;
}
三、虚继承案例
在C++标准库中也存在着虚继承的案例,例如,参考官方文档继承图可以看到,istream和ostream都继承于base_ios,而iostream继承于istream和ostream两个类,其中菱形继承部分就是通过虚继承实现的