C++菱形继承

Posted on 2018-03-06 Edited on 2018-03-07

~~Edit~~

C++支持多继承，当父类继承自同一个超类，则即为本篇所述的菱形继承。类图如下：

主要参考两个链接：

前一篇提到的VS2003与后文中的实现方式相同，前一篇中还提到了Bjarne方案，不知哪些编译器采用这种方案。所以本文认为前者方案为主流方案，加以阐述。后者方案可视为前者方案的略微改良版。

单类虚继承

代码实现如下：

struct A {
    virtual foo();
    int X;
}
struct B : virtual public A {
    virtual foo();
    virtual fooB();
    int Y;
}

其中VPTR指向Virtual Table (VTBL)，VBPTR指向Virtual Base Table (VBTBL)。其内容为：

第一项为与本类VPTR的偏移。一般VPTR总是存在对象开始处。所以上例为-4字节，取补即为0xFFFFFFFC。如果本类没有虚函数，就没有VPTR，则该值为0。
从第二项开始为到各基类的偏移值，有几个基类，表项就有几个。上例中，只有一个基类，且本类成员变量会放在VBPTR之后，所以到基类A的偏移量即为8字节。

注意1: 只有出现了虚拟继承，才会有这样的内存布局，如果没有虚拟继承，则父类VPTR及其成员会挨着子类VPTR放置。
注意2: 此时VPTR中内容和无虚继承时的内容也不同。若B是普通继承A，则B类内存布局为：

菱形继承

对于这样一个菱形继承：

struct A
{
    A(int v=100):X(v){};
    virtual void foo(void){};
    int X;
};
struct B :virtual public A
{
    B(int v=10):Y(v),A(100){};
    virtual void foo(void){};
    virtual void fooB(void){}
    int Y;
};
struct C : virtual public A
{
    C(int v=20):Z(v),A(100){};
    virtual void foo(void){};
    virtual void fooC(void){};
    int Z;
};
struct D : public B, public C
{
    D(int v =40):B(10),C(20),A(100),L(v){};
    virtual void foo(void){};
    virtual void fooD(void){};
    int L;
};

其主要特点为：

ABCD均包含虚函数，所以每个类都有虚函数表
每个类均有成员变量
父类BC对祖类采用虚继承
子类对两个父类采用普通继承

这应当是最复杂的情况了，当有些类没有虚函数，或者没有成员变量时，情况可能稍许简单些。

A

A类因为没有虚拟继承，所以其内存布局为普通布局：

B / C

BC类均为单类虚继承，如上节所述：

D

D类最复杂

本类无覆盖关系的成员函数在最一开始的VPTR中，或认为在B::VPTR中
本类成员函数在所有直接父类对象的后面
只有一份A对象
本类如果覆盖任何父类或祖先类的成员函数会覆盖对应对象的VPTR中的项目。

Error: source type is not polymorphic

当祖先类A没有虚函数的时候，在发生向下转型（子类指针转成父类指针）的时候会出问题。可以查看Memory Layout for Multiple and Virtual Inheritance - Edsko de Vries, January 2006 中Downcasting一节。
考虑这样两个多继承的类：

Bottom* bottom1 = new Bottom();
AnotherBottom* bottom2 = new AnotherBottom();
Top* top1 = bottom1;
Top* top2 = bottom2;
Left* left = static_cast<Left*>(top1);

Bottom和AnotherBottom都继承自Left，Left虚继承自Top。现在要把一个Top指针转换成一个Left指针。使用static_cast会报error: cannot convert from base `Top’ to derived type `Left’ via virtual base `Top’。因为需要运行时信息，因为所有的VPTR和对象内存布局，都是到运行时才建立的。于是想到可以用dynamic_cast。

Left* left = dynamic_cast<Left*>(top1);

此时会报另一个错误：error: cannot dynamic_cast `top’ (of type `class Top*’) to type `class Left*’ (source type is not polymorphic)。这是因为Top类没有虚函数，所以此时Bottom和AnotherBottom对象的Top部分没有VPTR。于是编译器也分不清这是一个int还是一个对象。解决的方法就是为Top加一个虚函数。最方便的方法就是加一个空的虚析构函数，如下：

class Top {
 virtual ~Top(){};
}

总结

当发生虚继承的时候，对象内部内存布局会产生大的变化，在引入VBPTR的同时，其各基类对象的排布顺序也发生了变化。

其他参考链接

详谈C++虚函数表那回事（多重继承关系, 无虚继承）
【C++】c++单继承、多继承、菱形继承内存布局（虚函数表结构）（此篇包含了对《c++虚继承对象的内存布局》一文的阐释