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虛繼承與虛基類的本質(zhì)
虛繼承和虛基類的定義是非常的簡單的，同時也是非常容易判斷一個繼承是否是虛繼承
的,，雖然這兩個概念的定義是非常的簡單明確的，但是在C++語言中虛繼承作為一個比較生
僻的但是又是絕對必要的組成部份而存在著,，并且其行為和模型均表現(xiàn)出和一般的繼承體系
之間的巨大的差異（包括訪問性能上的差異）,，現(xiàn)在我們就來徹底的從語言、模型,、性能和
應(yīng)用等多個方面對虛繼承和虛基類進(jìn)行研究,。
首先還是先給出虛繼承和虛基類的定義。
虛繼承：在繼承定義中包含了virtual關(guān)鍵字的繼承關(guān)系,；
虛基類：在虛繼承體系中的通過virtual繼承而來的基類,，需要注意的是：
struct CSubClass : public virtual CBase {}; 其中CBase稱之為CSubClass
的虛基類，而不是說CBase就是個虛基類,，因為CBase還可以不不是虛繼承體系
中的基類,。
有了上面的定義后，就可以開始虛繼承和虛基類的本質(zhì)研究了,，下面按照語法,、語義、
模型,、性能和應(yīng)用五個方面進(jìn)行全面的描述,。
1. 語法
語法有語言的本身的定義所決定，總體上來說非常的簡單,，如下：
struct CSubClass : public virtual CBaseClass {};
其中可以采用public,、protected、private三種不同的繼承關(guān)鍵字進(jìn)行修飾,，只要
確保包含virtual就可以了,，這樣一來就形成了虛繼承體系，同時CBaseClass就成為
了CSubClass的虛基類了,。
其實(shí)并沒有那么的簡單,，如果出現(xiàn)虛繼承體系的進(jìn)一步繼承會出現(xiàn)什么樣的狀況呢,？
如下所示：
注意上面代碼中的CDiamondClass1和CDiamondSubClass1兩個類的構(gòu)造函數(shù)初始化列
表中的內(nèi)容?？梢园l(fā)現(xiàn)其中均包含了虛基類CBaseClass1的初始化工作,，如果沒有這
個初始化語句就會導(dǎo)致編譯時錯誤，為什么會這樣呢,？一般情況下不是只要在
CSubClassV1和CSubClassV2中包含初始化就可以了么,？要解釋該問題必須要明白虛
繼承的語義特征，所以參看下面語義部分的解釋,。
2. 語義
從語義上來講什么是虛繼承和虛基類呢,？上面僅僅是從如何在C++語言中書寫合法的
虛繼承類定義而已。首先來了解一下virtual這個關(guān)鍵字在C++中的公共含義,，在C++
語言中僅僅有兩個地方可以使用virtual這個關(guān)鍵字,，一個就是類成員虛函數(shù)和這里
所討論的虛繼承。不要看這兩種應(yīng)用場合好像沒什么關(guān)系,，其實(shí)他們在背景語義上
具有virtual這個詞所代表的共同的含義,，所以才會在這兩種場合使用相同的關(guān)鍵字。
那么virtual這個詞的含義是什么呢,？
virtual在《美國傳統(tǒng)詞典[雙解]》中是這樣定義的：
adj.（形容詞）
1. Existing or resulting in essence or effect though not in actual
fact, form, or name:
實(shí)質(zhì)上的,，實(shí)際上的：雖然沒有實(shí)際的事實(shí)、形式或名義,，但在實(shí)際上或效
果上存在或產(chǎn)生的,；
2. Existing in the mind, especially as a product of the imagination.
Used in literary criticism of text.
虛的，內(nèi)心的：在頭腦中存在的,，尤指意想的產(chǎn)物,。用于文學(xué)批評中。
我們采用第一個定義,，也就是說被virtual所修飾的事物或現(xiàn)象在本質(zhì)上是存在的,，
但是沒有直觀的形式表現(xiàn),，無法直接描述或定義,，需要通過其他的間接方式或手段
才能夠體現(xiàn)出其實(shí)際上的效果。
那么在C++中就是采用了這個詞意,，不可以在語言模型中直接調(diào)用或體現(xiàn)的,，但是確
實(shí)是存在可以被間接的方式進(jìn)行調(diào)用或體現(xiàn)的。比如：虛函數(shù)必須要通過一種間接的
運(yùn)行時（而不是編譯時）機(jī)制才能夠激活（調(diào)用）的函數(shù),，而虛繼承也是必須在運(yùn)行
時才能夠進(jìn)行定位訪問的一種體制,。存在，但間接,。其中關(guān)鍵就在于存在,、間接和共
享這三種特征,。
對于虛函數(shù)而言，這三個特征是很好理解的,，間接性表明了他必須在運(yùn)行時根據(jù)實(shí)際
的對象來完成函數(shù)尋址,，共享性表象在基類會共享被子類重載后的虛函數(shù)，其實(shí)指向
相同的函數(shù)入口,。
對于虛繼承而言,，這三個特征如何理解呢？存在即表示虛繼承體系和虛基類確實(shí)存在,，
間接性表明了在訪問虛基類的成員時同樣也必須通過某種間接機(jī)制來完成（下面模型
中會講到）,，共享性表象在虛基類會在虛繼承體系中被共享，而不會出現(xiàn)多份拷貝,。
那現(xiàn)在可以解釋語法小節(jié)中留下來的那個問題了,，“為什么一旦出現(xiàn)了虛基類，就必
須在沒有一個（這里疑似筆誤,，應(yīng)為“每一個”）繼承類中都必須包含虛基類的初始化語句”,。由上面的分析可以知道，
虛基類是被共享的,，也就是在繼承體系中無論被繼承多少次,，對象內(nèi)存模型中均只會
出現(xiàn)一個虛基類的子對象（這和多繼承是完全不同的），這樣一來既然是共享的那么
每一個子類都不會獨(dú)占,，但是總還是必須要有一個類來完成基類的初始化過程（因為
所有的對象都必須被初始化,，哪怕是默認(rèn)的），同時還不能夠重復(fù)進(jìn)行初始化,，那到
底誰應(yīng)該負(fù)責(zé)完成初始化呢,？C++標(biāo)準(zhǔn)中（也是很自然的）選擇在每一次繼承子類中
都必須書寫初始化語句（因為每一次繼承子類可能都會用來定義對象），而在最下層
繼承子類中實(shí)際執(zhí)行初始化過程,。所以上面在每一個繼承類中都要書寫初始化語句,，
但是在創(chuàng)建對象時，而僅僅會在創(chuàng)建對象用的類構(gòu)造函數(shù)中實(shí)際的執(zhí)行初始化語句,，
其他的初始化語句都會被壓制不調(diào)用,。
3. 模型
為了實(shí)現(xiàn)上面所說的三種語義含義，在考慮對象的實(shí)現(xiàn)模型（也就是內(nèi)存模型）時就
很自然了,。在C++中對象實(shí)際上就是一個連續(xù)的地址空間的語義代表,，我們來分析虛
繼承下的內(nèi)存模型。
3.1. 存在
也就是說在對象內(nèi)存中必須要包含虛基類的完整子對象,，以便能夠完成通過地址
完成對象的標(biāo)識,。那么至于虛基類的子對象會存放在對象的那個位置（頭、中間、
尾部）則由各個編譯器選擇,，沒有差別,。（在VC8中無論虛基類被聲明在什么位置，
虛基類的子對象都會被放置在對象內(nèi)存的尾部）
3.2. 間接
間接性表明了在直接虛基承子類中一定包含了某種指針（偏移或表格）來完成通
過子類訪問虛基類子對象（或成員）的間接手段（因為虛基類子對象是共享的,，
沒有確定關(guān)系）,，至于采用何種手段由編譯器選擇。（在VC8中在子類中放置了
一個虛基類指針vbc,，該指針指向虛函數(shù)表中的一個slot,，該slot中存放則虛基
類子對象的偏移量的負(fù)值，實(shí)際上就是個以補(bǔ)碼表示的int類型的值,，在計算虛
基類子對象首地址時,，需要將該偏移量取絕對值相加，這個主要是為了和虛表
中只能存放虛函數(shù)地址這一要求相區(qū)別,，因為地址是原碼表示的無符號int類型
的值）
3.3. 共享
共享表明了在對象的內(nèi)存空間中僅僅能夠包含一份虛基類的子對象,，并且通過
某種間接的機(jī)制來完成共享的引用關(guān)系。在介紹完整個內(nèi)容后會附上測試代碼,，
體現(xiàn)這些內(nèi)容,。
4. 性能
由于有了間接性和共享性兩個特征，所以決定了虛繼承體系下的對象在訪問時必然
會在時間和空間上與一般情況有較大不同,。
4.1. 時間
在通過繼承類對象訪問虛基類對象中的成員（包括數(shù)據(jù)成員和函數(shù)成員）時,，都
必須通過某種間接引用來完成，這樣會增加引用尋址時間（就和虛函數(shù)一樣）,，
其實(shí)就是調(diào)整this指針以指向虛基類對象,，只不過這個調(diào)整是運(yùn)行時間接完成的。
（在VC8中通過打開匯編輸出,，可以查看*.cod文件中的內(nèi)容,，在訪問虛基類對象
成員時會形成三條mov間接尋址語句，而在訪問一般繼承類對象時僅僅只有一條mov
常量直接尋址語句）
4.2. 空間
由于共享所以不同在對象內(nèi)存中保存多份虛基類子對象的拷貝,，這樣較之多繼承
節(jié)省空間,。
5. 應(yīng)用
談了那么多語言特性和內(nèi)容，那么在什么情況下需要使用虛繼承,，而一般應(yīng)該如何使
用呢,？
這個問題其實(shí)很難有答案，一般情況下如果你確性出現(xiàn)多繼承沒有必要,，必須要共享
基類子對象的時候可以考慮采用虛繼承關(guān)系（C++標(biāo)準(zhǔn)ios體系就是這樣的）,。由于每
一個繼承類都必須包含初始化語句而又僅僅只在最底層子類中調(diào)用，這樣可能就會使
得某些上層子類得到的虛基類子對象的狀態(tài)不是自己所期望的（因為自己的初始化語
句被壓制了）,，所以一般建議不要在虛基類中包含任何數(shù)據(jù)成員（不要有狀態(tài)），只
可以作為接口類來提供。
附錄：測試代碼
測試環(huán)境：
軟件環(huán)境：Visual Studio2005 Pro + SP1, boost1.34.0
硬件環(huán)境：PentiumD 3.0GHz, 4G RAM
測試數(shù)據(jù)：
================================ sizeof ================================
----------------------------------------------------------------
sizeof( CBaseClass1 ) = 4
sizeof( CSubClassV1 ) = 8
sizeof( CSubClassV2 ) = 8
sizeof( CDiamondClass1 ) = 12
sizeof( CDiamondSubClass1 ) = 12
sizeof( CSubClassN1 ) = 4
sizeof( CSubClassN2 ) = 4
sizeof( CMultiClass1 ) = 8
sizeof( CMultiSubClass1 ) = 8
----------------------------------------------------------------
sizeof( CBaseClass2 ) = 4
sizeof( CSubClassV3 ) = 8
sizeof( CSubClassV4 ) = 8
sizeof( CDiamondClass2 ) = 12
sizeof( CDiamondSubClass2 ) = 12
sizeof( CSubClassN3 ) = 4
sizeof( CSubClassN4 ) = 4
sizeof( CMultiClass2 ) = 8
sizeof( CMultiSubClass2 ) = 8
================================ layout ================================
--------------------------------MI------------------------------
sizeof( CLayoutSubClass1 ) = 20
CLayoutBase1 offset of CLayoutSubClass1 is 0
CBaseClass1 offset of CLayoutSubClass1 is 16
CLayoutBase2 offset of CLayoutSubClass1 is 8
vbc in CLayoutSubClass1 is -12
--------------------------------SI------------------------------
sizeof( CSubClassV1 ) = 8
CBaseClass1 offset of CSubClassV1 is 4
vbc in CSubClassV1 is 0
================================ Performance ================================
CSubClassV1::ptr1->m_val 0.062 s
CSubClassN1::ptr2->m_val 0.016 s
結(jié)果分析：
1. 由于虛繼承引入的間接性指針?biāo)詫?dǎo)致了虛繼承類的尺寸會增加4個字節(jié),；
2. 由Layout輸出可以看出,，虛基類子對象被放在了對象的尾部（偏移為16），并且vbc
指針必須緊緊的接在虛基類子對象的前面,，所以vbc指針?biāo)赶虻膬?nèi)容為“偏移 - 4”,；
3. 由于VC8將偏移放在了虛函數(shù)表中，所以為了區(qū)分函數(shù)地址和偏移,，所以偏移是用補(bǔ)
碼int表示的負(fù)值,；
4. 間接性可以通過性能來看出，在虛繼承體系同通過指針訪問成員時的時間一般是一般
類訪問情況下的4倍左右,，符合匯編語言輸出文件中的匯編語句的安排,。
那么，為什么要使用虛繼承,？,？ 為什么要引入虛擬繼承？ 虛擬繼承在一般的應(yīng)用中很少用到,，所以也往往被忽視,，這也主要是因為在C++中，多重繼承是不推薦的,，也并不常用,，而一旦離開了多重繼承，虛擬繼承就完全失去了存在的必要（因為這樣只會降低效率和占用更多的空間,，關(guān)于這一點(diǎn),，我自己還沒有太多深刻的理解，有興趣的可以看網(wǎng)絡(luò)上白楊的作品《RTTI,、虛函數(shù)和虛基類的開銷分析及使用指導(dǎo)》,，說實(shí)話我目前還沒看得很明白，高人可以指點(diǎn)下我）,。 一個例子 以下面的一個例子為例： 當(dāng)編譯上述代碼時,，我們會收到如下的錯誤提示： error C2385: 'CD::f' is ambiguous 即編譯器無法確定你在d.f()中要調(diào)用的函數(shù)f到底是哪一個。這里可能會讓人覺得有些奇怪,，命名只定義了一個CA::f,，既然大家都派生自CA，那自然就是調(diào)用的CA::f,，為什么還無法確定呢,？ 這是因為編譯器在進(jìn)行編譯的時候，需要確定子類的函數(shù)定義,，如CA::f是確定的,，那么在編譯CB,、CC時還需要在編譯器的語法樹中生成CB::f，CC::f等標(biāo)識,，那么,，在編譯CD的時候，由于CB,、CC都有一個函數(shù)f,，此時，編譯器將試圖生成這兩個CD::f標(biāo)識,，顯然這時就要報錯了,。（當(dāng)我們不使用CD::f的時候，以上標(biāo)識都不會生成,，所以,，如果去掉d.f()一句，程序?qū)㈨樌ㄟ^編譯） 要解決這個問題,，有兩個方法： 1,、重載函數(shù)f()：此時由于我們明確定義了CD::f，編譯器檢查到CD::f()調(diào)用時就無需再像上面一樣去逐級生成CD::f標(biāo)識了,； 此時CD的元素結(jié)構(gòu)如下： |CB(CA)| |CC(CA)| 故此時的sizeof(CD) = 8;（CB,、CC各有一個元素k） 2、使用虛擬繼承：虛擬繼承又稱作共享繼承,，這種共享其實(shí)也是編譯期間實(shí)現(xiàn)的,，當(dāng)使用虛擬繼承時，上面的程序?qū)⒆兂上旅娴男问剑?/p> 此時,，當(dāng)編譯器確定d.f()調(diào)用的具體含義時,，將生成如下的CD結(jié)構(gòu)： |CB| |CC| |CA| 同時，在CB,、CC中都分別包含了一個指向CA的虛基類指針列表vbptr（virtual base table pointer）,，其中記錄的是從CB、CC的元素到CA的元素之間的偏移量,。此時,，不會生成各子類的函數(shù)f標(biāo)識，除非子類重載了該函數(shù),，從而達(dá)到“共享”的目的（這里的具體內(nèi)存布局,，可以參看鉆石型繼承內(nèi)存布局，在白楊的那篇文章中也有）,。 也正因此,，此時的sizeof(CD) = 12（兩個vbptr + sizoef(int)）; 另注： 如果CB，CC中各定義一個int型變量,，則sizeof(CD)就變成20(兩個vbptr + 3個sizoef(int) 如果CA中添加一個virtual void f1(){},，sizeof(CD) = 16（兩個vbptr + sizoef(int)+vptr）; 再添加virtual void f2(){},，sizeof(CD) = 16不變。原因如下所示：帶有虛函數(shù)的類,，其內(nèi)存布局上包含一個指向虛函數(shù)列表的指針（vptr）,，這跟有幾個虛函數(shù)無關(guān),。
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