c++菱形繼承、多型與類記憶體模型

胖白白發表於2024-05-20

1.菱形繼承
- 1.1.菱形繼承的問題
- 1.2.解決辦法
2.虛擬函式與多型
- 2.1.普通函式不能實現多型
- 2.2.虛擬函式（子類重寫）+ 父類指向子類——實現多型
- 2.3.多型原理
3.c++記憶體模型
4.參考

1.菱形繼承

先看下面的例子，SheepTuo同時繼承了Sheep和Tuo，而他們同時繼承Animal類

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal
{
    int mAge;
};

class Sheep : public Animal {};
class Tuo : public Animal {};
class SheepTuo : public Sheep, public Tuo {};

int main()
{
    SheepTuo st;
    ////// 1.報錯，"SheepTuo::mAge" is ambiguous，mAge成員在兩個子類都存在，二義性
    // st.mAge = 18; 

    ////// 2.可以宣告作用域，避免成員的二義性
    st.Sheep::mAge = 18;
    st.Tuo::mAge = 100;

    ////// 3.但是在SheepTuo類中mAge成員會複製兩份，造成記憶體浪費
    return 0;
}

1.1.菱形繼承的問題

共享成員二義性——增加作用域可以解決
記憶體複製兩份-浪費——虛繼承解決

1.2.解決辦法

#include <iostream>
using namespace std;

// 虛基類
class Animal
{
public:
    int mAge;
};

// virtual --> 虛繼承
class Sheep : virtual public Animal {};
class Tuo : virtual public Animal {};
class SheepTuo : public Sheep, public Tuo {};

int main()
{
    SheepTuo st;
    ////// 1.不會報錯了
    // st.mAge = 18;

    ////// 2.這樣寫，下面的mAge都會是100，因此虛繼承後，成員不會被複制，只在基類中有一份，子類中維護vbptr（管理不同的偏移量）指向它
    st.Sheep::mAge = 18;
    st.Tuo::mAge = 100;
    
    return 0;
}

SheepTuo繼承了Sheep和Tuo的虛基類指標vbptr，這倆的指標會指向他們的虛基類表vbtable，虛基類表中存著其vbptr的偏移量，透過偏移量可以幫助子類正確找到從虛基類繼承來的資料

2.虛擬函式與多型

2.1.普通函式不能實現多型

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal
{
public:
    void Speak()
    {
        cout << "動物 在說話" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal 
{
    void Speak()
    {
        cout << "小貓 在說話" << endl;
    }
};
class Dog : public Animal 
{
    void Speak()
    {
        cout << "小狗 在說話" << endl;
    }
};

// 常物件只能呼叫常函式
// void DoSpeak(const Animal &animal)
void DoSpeak(Animal &animal)
{
    animal.Speak();
}

int main()
{
    Cat cat;
    DoSpeak(cat);
    
    return 0;
}

輸出：動物在說話
上面的Animal中Speak是一個普通成員函式，雖然有繼承的條件，但是編譯器在編譯階段，會DoSpeak函式中把animal.Speak();的animal繫結為Animal的地址，無法實現多型

2.2.虛擬函式（子類重寫）+ 父類指向子類——實現多型

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal
{
public:
    virtual void Speak()
    {
        cout << "動物 在說話" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal 
{
    void Speak()
    {
        cout << "小貓 在說話" << endl;
    }
};
class Dog : public Animal 
{
    void Speak()
    {
        cout << "小狗 在說話" << endl;
    }
};

void DoSpeak(Animal &animal)
{
    animal.Speak();
}

int main()
{
    Cat cat;
    DoSpeak(cat);
    
    return 0;
}

輸出：小貓在說話
和2.1.節相比，只增加了virtual關鍵字，使得父類普通函式變為虛擬函式，使得DoSpeak函式中animal.Speak()的animal在執行階段才會指向真正呼叫的物件，實現了多型
其執行流程先說明：物件指標->取其虛表指標->取其虛表中函式->call呼叫

2.3.多型原理

case1.普通函式的基類所佔記憶體大小, sizeof(Animal) = 1

class Animal
{
public:
    void Speak()
    {
        cout << "動物 在說話" << endl;
    }
};

case2.虛擬函式的基類所佔記憶體大小, sizeof(Animal) = 4

class Animal
{
public:
    virtual void Speak()
    {
        cout << "動物 在說話" << endl;
    }
};

case1和case2說明了增加virtual會在類中多用記憶體，增加的是虛擬函式指標和虛擬函式表

case3.子類繼承虛基類，並且子類重寫虛擬函式

class Animal
{
public:
    virtual void Speak()
    {
        cout << "動物 在說話" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal 
{
    void Speak()
    {
        cout << "小貓 在說話" << endl;
    }
};