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(shí)也是非常容易判斷一個(gè)繼承是否是虛繼承
的，雖然這兩個(gè)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(gè)比較生
僻的但是又是絕對(duì)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(gè)方面對(duì)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(gè)虛基類，因?yàn)镃Base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(gè)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(shí)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(huì)出現(xiàn)什么樣的狀況呢？
如下所示：
/*
* 帶有數(shù)據(jù)成員的基類
*/
struct CBaseClass1
{
CBaseClass1( size_t i ) : m_val( i ) {}
size_t m_val;
};
/*
* 虛擬繼承體系
*/
struct CSubClassV1 : public virtual CBaseClass1
{
CSubClassV1( size_t i ) : CBaseClass1( i ) {}
};
struct CSubClassV2 : public virtual CBaseClass1
{
CSubClassV2( size_t i ) : CBaseClass1( i ) {}
};
struct CDiamondClass1 : public CSubClassV1, public CSubClassV2
{
CDiamondClass1( size_t i ) : CBaseClass1( i ), CSubClassV1( i ), CSubClassV2( i ) {}
};
struct CDiamondSubClass1 : public CDiamondClass1
{
CDiamondSubClass1( size_t i ) : CBaseClass1( i ), CDiamondClass1( i ) {}
};
注意上面代碼中的CDiamondClass1和CDiamondSubClass1兩個(gè)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(gè)初始化語句就會(huì)導(dǎo)致編譯時(shí)錯(cuò)誤，為什么會(huì)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
在C++中虛函數(shù)必須要通過一種間接的運(yùn)行時(shí)（而不是編譯時(shí)）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(shí)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(duì)于虛函數(shù)而言，這三個(gè)特征是很好理解的，間接性表明了他必須在運(yùn)行時(shí)根據(jù)實(shí)際
的對(duì)象來完成函數(shù)尋址，共享性表象在基類會(huì)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(duì)于虛繼承而言，這三個(gè)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(shí)同樣也必須通過某種間接機(jī)制來完成（下面模型
中會(huì)講到），共享性表象在虛基類會(huì)在虛繼承體系中被共享，而不會(huì)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(gè)問題了，“為什么一旦出現(xiàn)了虛基類，就必
須在每一個(gè)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(duì)象內(nèi)存模型中均只會(huì)
出現(xiàn)一個(gè)虛基類的子對(duì)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(gè)子類都不會(huì)獨(dú)占，但是總還是必須要有一個(gè)類來完成基類的初始化過程（因?yàn)?br> 所有的對(duì)象都必須被初始化，哪怕是默認(rèn)的），同時(shí)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?yàn)槊恳淮卫^承子類可能都會(huì)用來定義對(duì)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(gè)繼承類中都要書寫初始化語句，
但是在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，而僅僅會(huì)在創(chuàng)建對(duì)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(huì)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(duì)象的實(shí)現(xiàn)模型（也就是內(nèi)存模型）時(shí)就
很自然了。在C++中對(duì)象實(shí)際上就是一個(gè)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(duì)象內(nèi)存中必須要包含虛基類的完整子對(duì)象，以便能夠完成通過地址
完成對(duì)象的標(biāo)識(shí)。那么至于虛基類的子對(duì)象會(huì)存放在對(duì)象的那個(gè)位置（頭、中間、
尾部）則由各個(gè)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(duì)象都會(huì)被放置在對(duì)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(duì)象（或成員）的間接手段（因?yàn)樘摶愖訉?duì)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(gè)虛基類指針vbc，該指針指向虛函數(shù)表中的一個(gè)slot，該slot中存放則虛基
類子對(duì)象的偏移量的負(fù)值，實(shí)際上就是個(gè)以補(bǔ)碼表示的int類型的值，在計(jì)算虛
基類子對(duì)象首地址時(shí)，需要將該偏移量取絕對(duì)值相加，這個(gè)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?yàn)榈刂肥窃a表示的無符號(hào)int類型
的值）
3.3. 共享
共享表明了在對(duì)象的內(nèi)存空間中僅僅能夠包含一份虛基類的子對(duì)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(gè)內(nèi)容后會(huì)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(gè)特征，所以決定了虛繼承體系下的對(duì)象在訪問時(shí)必然
會(huì)在時(shí)間和空間上與一般情況有較大不同。
4.1. 時(shí)間
在通過繼承類對(duì)象訪問虛基類對(duì)象中的成員（包括數(shù)據(jù)成員和函數(shù)成員）時(shí)，都
必須通過某種間接引用來完成，這樣會(huì)增加引用尋址時(shí)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(duì)象，只不過這個(gè)調(diào)整是運(yùn)行時(shí)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(duì)象
成員時(shí)會(huì)形成三條mov間接尋址語句，而在訪問一般繼承類對(duì)象時(shí)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(duì)象內(nèi)存中保存多份虛基類子對(duì)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(gè)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(duì)象的時(shí)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(gè)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(huì)使
得某些上層子類得到的虛基類子對(duì)象的狀態(tài)不是自己所期望的（因?yàn)樽约旱某跏蓟Z
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。
假定通過多個(gè)派生路徑繼承名為X的成員，有下面三種可能性：
1）如果在每個(gè)路徑中X表示同一虛基類成員，則沒有二義性，因?yàn)楣蚕碓摮蓡T的單個(gè)實(shí)例；
2）如果在某個(gè)路徑中X是虛基類的成員，而在另一路徑中X是后代派生類的成員，也沒有二義性——特定派生類實(shí)例的優(yōu)先級(jí)高于共享虛基類實(shí)例。
3）如果沿每個(gè)繼承路徑X表示后代派生類的不同成員，則該成員的直接訪問是二義性的。
附錄：測試代碼
#include <ctime>
#include <iostream>
/*
* 帶有數(shù)據(jù)成員的基類
*/
struct CBaseClass1
{
CBaseClass1( size_t i ) : m_val( i ) {}
size_t m_val;
};
/*
* 虛擬繼承體系
*/
struct CSubClassV1 : public virtual CBaseClass1
{
CSubClassV1( size_t i ) : CBaseClass1( i ) {}
};
struct CSubClassV2 : public virtual CBaseClass1
{
CSubClassV2( size_t i ) : CBaseClass1( i ) {}
};
struct CDiamondClass1 : public CSubClassV1, public CSubClassV2
{
CDiamondClass1( size_t i ) : CBaseClass1( i ), CSubClassV1( i ), CSubClassV2( i ) {}
};
struct CDiamondSubClass1 : public CDiamondClass1
{
CDiamondSubClass1( size_t i ) : CBaseClass1( i ), CDiamondClass1( i ) {}
};
/*
* 正常繼承體系
*/
struct CSubClassN1 : public CBaseClass1
{
CSubClassN1( size_t i ) : CBaseClass1( i ) {}
};
struct CSubClassN2 : public CBaseClass1
{
CSubClassN2( size_t i ) : CBaseClass1( i ) {}
};
struct CMultiClass1 : public CSubClassN1, public CSubClassN2
{
CMultiClass1( size_t i ) : CSubClassN1( i ), CSubClassN2( i ) {}
};
struct CMultiSubClass1 : public CMultiClass1
{
CMultiSubClass1( size_t i ) : CMultiClass1( i ) {}
};
/*
* 不帶有數(shù)據(jù)成員的接口基類
*/
struct CBaseClass2
{
virtual void func() {};
virtual ~CBaseClass2() {}
};
/*
* 虛擬繼承體系
*/
// struct CBaseClassX { CBaseClassX() {i1 = i2 = 0xFFFFFFFF;} size_t i1, i2;};
struct CSubClassV3 : public virtual CBaseClass2
{
};
struct CSubClassV4 : public virtual CBaseClass2
{
};
struct CDiamondClass2 : public CSubClassV3, public CSubClassV4
{
};
struct CDiamondSubClass2 : public CDiamondClass2
{
};
/*
* 正常繼承體系
*/
struct CSubClassN3 : public CBaseClass2
{
};
struct CSubClassN4 : public CBaseClass2
{
};
struct CMultiClass2 : public CSubClassN3, public CSubClassN4
{
};
struct CMultiSubClass2 : public CMultiClass2
{
};
/*
* 內(nèi)存布局用類聲明.
*/
struct CLayoutBase1
{
CLayoutBase1() : m_val1( 0 ), m_val2( 1 ) {}
size_t m_val1, m_val2;
};
struct CLayoutBase2
{
CLayoutBase2() : m_val1( 3 ) {}
size_t m_val1;
};
struct CLayoutSubClass1 : public virtual CBaseClass1, public CLayoutBase1, public CLayoutBase2
{
CLayoutSubClass1() : CBaseClass1( 2 ) {}
};
#define MAX_TEST_COUNT 1000 * 1000 * 16
#define TIME_ELAPSE() ( std::clock() - start * 1.0 ) / CLOCKS_PER_SEC
int main( int argc, char *argv[] )
{
/*
* 類體系中的尺寸.
*/
std::cout << "================================ sizeof ================================" << std::endl;
std::cout << " ----------------------------------------------------------------" << std::endl;
std::cout << "sizeof( CBaseClass1 ) = " << sizeof( CBaseClass1 ) << std::endl;
std::cout << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassV1 ) = " << sizeof( CSubClassV1 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassV2 ) = " << sizeof( CSubClassV2 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CDiamondClass1 ) = " << sizeof( CDiamondClass1 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CDiamondSubClass1 ) = " << sizeof( CDiamondSubClass1 ) << std::endl;
std::cout << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassN1 ) = " << sizeof( CSubClassN1 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassN2 ) = " << sizeof( CSubClassN2 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CMultiClass1 ) = " << sizeof( CMultiClass1 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CMultiSubClass1 ) = " << sizeof( CMultiSubClass1 ) << std::endl;
std::cout << " ----------------------------------------------------------------" << std::endl;
std::cout << "sizeof( CBaseClass2 ) = " << sizeof( CBaseClass2 ) << std::endl;
std::cout << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassV3 ) = " << sizeof( CSubClassV3 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassV4 ) = " << sizeof( CSubClassV4 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CDiamondClass2 ) = " << sizeof( CDiamondClass2 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CDiamondSubClass2 ) = " << sizeof( CDiamondSubClass2 ) << std::endl;
std::cout << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassN3 ) = " << sizeof( CSubClassN3 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CSubClassN4 ) = " << sizeof( CSubClassN4 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CMultiClass2 ) = " << sizeof( CMultiClass2 ) << std::endl;
std::cout << "sizeof( CMultiSubClass2 ) = " << sizeof( CMultiSubClass2 ) << std::endl;
/*
* 對(duì)象內(nèi)存布局
*/
std::cout << "================================ layout ================================" << std::endl;
std::cout << " --------------------------------MI------------------------------" << std::endl;
CLayoutSubClass1 *lsc = new CLayoutSubClass1;
std::cout << "sizeof( CLayoutSubClass1 ) = " << sizeof( CLayoutSubClass1 ) << std::endl;
std::cout << "CLayoutBase1 offset of CLayoutSubClass1 is " << (char*)(CLayoutBase1 *)lsc - (char*)lsc << std::endl;
std::cout << "CBaseClass1 offset of CLayoutSubClass1 is " << (char*)(CBaseClass1 *)lsc - (char*)lsc << std::endl;
std::cout << "CLayoutBase2 offset of CLayoutSubClass1 is " << (char*)(CLayoutBase2 *)lsc - (char*)lsc << std::endl;
int *ptr = (int*)lsc;
std::cout << "vbc in CLayoutSubClass1 is " << *(int*)ptr[3] << std::endl;
delete lsc;
std::cout << " --------------------------------SI------------------------------" << std::endl;
CSubClassV1 *scv1 = new CSubClassV1( 1 );
std::cout << "sizeof( CSubClassV1 ) = " << sizeof( CSubClassV1 ) << std::endl;
std::cout << "CBaseClass1 offset of CSubClassV1 is " << (char*)(CBaseClass1 *)scv1 - (char*)scv1 << std::endl;
ptr = (int*)scv1;
std::cout << "vbc in CSubClassV1 is " << *(int*)ptr[0] << std::endl;
delete scv1;
/*
* 性能測試
*/
std::cout << "================================ Performance ================================" << std::endl;
double times[4];
size_t idx = 0;
CSubClassV1 *ptr1 = new CDiamondClass1( 1 );
std::clock_t start = std::clock();
{
for ( size_t i = 0; i < MAX_TEST_COUNT; ++i )
ptr1->m_val = i;
}
times[idx++] = TIME_ELAPSE();
delete static_cast<CDiamondClass1*>( ptr1 );
CSubClassN1 *ptr2 = new CMultiClass1( 0 );
start = std::clock();
{
for ( size_t i = 0; i < MAX_TEST_COUNT; ++i )
ptr2->m_val = i;
}
times[idx++] = TIME_ELAPSE();
delete static_cast<CMultiClass1*>( ptr2 );
std::cout << "CSubClassV1::ptr1->m_val " << times[0] << " s" << std::endl;
std::cout << "CSubClassN1::ptr2->m_val " << times[1] << " s" << std::endl;
return 0;
}
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(huì)增加4個(gè)字節(jié)；
2. 由Layout輸出可以看出，虛基類子對(duì)象被放在了對(duì)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(duì)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(shí)的時(shí)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。