<<深度探索c++对象模型>>中的虚继承看着蛋疼,感觉这在实际中也没多大用,需要继续深究吗?

你提出的这个问题非常棒，也非常普遍。《深度探索 C++ 对象模型》这本书确实深入挖掘了 C++ 的底层细节，而虚继承就是其中一个常常让读者感到“蛋疼”但又觉得好像用处不大的特性。

是否需要继续深究虚继承，这取决于你的目标和对 C++ 的追求。

如果你只是想成为一个能“正常”使用 C++ 的开发者，能够写出功能性的代码，那么对虚继承的理解可以停留在“知道有这么回事儿，知道它能解决菱形继承问题”的层面，不必过度钻研其实现细节。
但如果你想成为一名精通 C++ 的开发者，理解 C++ 的底层机制，能够写出更高效、更优雅的代码，或者对编译原理、内存管理有浓厚兴趣，那么深入理解虚继承是非常有价值的，甚至是必不可少的。

下面，我将为你详细地讲述虚继承，希望能帮助你理解它的“蛋疼”之处以及它为何存在。

虚继承的“蛋疼”之处在哪里？

虚继承的“蛋疼”主要体现在以下几个方面：

1. 概念上的复杂性： 传统的单继承或多继承相对容易理解，但虚继承引入了共享基类，这使得类之间的关系变得更加错综复杂。你需要理解为什么会产生共享，以及这种共享是如何影响对象布局的。
2. 对象布局的改变： 虚继承会显著改变对象的内存布局。基类中的成员可能不再连续存放，子类可能会有额外的指针（虚基类指针）来指向共享的基类数据，这使得直接通过指针操作成员变得困难，也影响了内存的访问效率。
3. 性能考量： 虚继承的引入通常会带来一定的性能开销。例如，访问虚基类成员可能需要通过额外的间接寻址（通过虚基类指针），这比直接访问成员要慢。对象大小的增加也是一个潜在的问题。
4. 初始化和析构顺序的复杂性： 在虚继承体系中，基类的初始化和析构顺序规则变得更加复杂。最接近派生类的虚基类实例由最派生类负责初始化，这与其他多继承的规则有所不同，需要仔细理解。
5. 编译器实现的多样性： 不同编译器对虚继承的实现方式可能存在差异，虽然最终效果一致，但底层的对象模型细节可能有所不同，增加了跨平台兼容性理解的难度。

那么，虚继承到底有什么用？为什么它存在？

虚继承的核心目的是为了解决 多重继承中的菱形继承问题 (Diamond Problem)。

什么是菱形继承问题？

想象一个场景：

有一个基类 `Animal` (动物)。
`Animal` 派生出两个类：`Mammal` (哺乳动物) 和 `Bird` (鸟类)。
然后，有一个类 `Bat` (蝙蝠) 既是 `Mammal` 也是 `Bird` (这是生物学上的一个奇怪例子，但可以作为技术上的类比，更常见的例子是 `Vehicle` > `Car`, `Truck` > `AmphibiousVehicle`)。
但是，蝙蝠同时也能飞，所以我们还有一个 `Flyer` (飞行者) 类。
如果 `Mammal` 和 `Bird` 都继承自一个共同的基类 `Creature` (生物)，而 `Bat` 同时继承自 `Mammal` 和 `Bird`，那么 `Bat` 对象就会出现两次 `Creature` 的副本。

让我们用一个更经典且更易理解的例子：

```cpp
class Creature {
public:
Creature() : age_(0) {}
int age_;
};

class Mammal : public Creature {
public:
void nurse() { / ... / }
};

class Bird : public Creature {
public:
void layEgg() { / ... / }
};

// 菱形继承
class Bat : public Mammal, public Bird {
public:
void flapWings() { / ... / }
};
```

在这个例子中：

1. `Mammal` 继承了 `Creature` 的 `age_` 成员。
2. `Bird` 也继承了 `Creature` 的 `age_` 成员。
3. `Bat` 同时继承了 `Mammal` 和 `Bird`。

结果是，一个 `Bat` 对象内部会包含 两个独立的 `Creature` 子对象，每个子对象都有自己的 `age_` 成员。

这就带来了问题：

冗余数据： `age_` 数据被复制了，造成内存浪费。
二义性： 如果你想访问 `age_`，编译器不知道你指的是来自 `Mammal` 的 `age_` 还是来自 `Bird` 的 `age_`。你需要明确指定，例如 `bat_instance.Mammal::age_` 或 `bat_instance.Bird::age_`。
基类操作的困难： 如果 `Creature` 有一个公共的初始化方法，例如 `initializeAge(int age)`，那么在 `Bat` 中调用它时，你必须调用两次（一次通过 `Mammal`，一次通过 `Bird`），并且这两次调用会独立地操作两个不同的 `age_` 实例。这显然不是我们想要的。我们通常希望一个 `Bat` 对象只有一个“生物”的年龄。

虚继承如何解决菱形继承问题？

虚继承的核心思想是：当一个类通过多条路径继承自同一个基类时，虚继承确保了 基类在派生类中只存在一个共享的实例。

修改上面的例子，让 `Mammal` 和 `Bird` 使用虚继承来继承 `Creature`：

```cpp
class Creature {
public:
Creature() : age_(0) {
std::cout << "Creature constructor" << std::endl;
}
virtual ~Creature() { // 虚析构函数是好习惯
std::cout << "Creature destructor" << std::endl;
}
int age_;
};

// 使用虚继承
class Mammal : public virtual Creature {
public:
void nurse() { std::cout << "Nursing..." << std::endl; }
};

// 使用虚继承
class Bird : public virtual Creature {
public:
void layEgg() { std::cout << "Laying egg..." << std::endl; }
};

class Bat : public Mammal, public Bird {
public:
void flapWings() { std::cout << "Flapping wings..." << std::endl; }
// 蝙蝠的构造函数，它负责初始化虚基类 Creature
Bat() {
std::cout << "Bat constructor" << std::endl;
}
// 析构函数保持默认即可
};

int main() {
Bat b;
// 现在，访问 age_ 不再有二义性，因为它只有一个共享的 age_
b.age_ = 1;
std::cout << "Bat's age: " << b.age_ << std::endl;

// 即使通过 Mammal 或 Bird 访问，也是访问同一个 age_
b.Mammal::age_ = 2;
std::cout << "Bat's age via Mammal: " << b.Mammal::age_ << std::endl;
std::cout << "Bat's age via Bird: " << b.Bird::age_ << std::endl;

return 0;
}
```

输出大致会是（具体细节可能因编译器而异）：

```
Creature constructor
Mammal constructor
Bird constructor
Bat constructor
Bat's age: 1
Bat's age via Mammal: 2
Bat's age via Bird: 2
Creature destructor
Bat destructor
Bird destructor
Mammal destructor
```

关键变化：

只有一个 `Creature` 实例： 在 `Bat` 对象中，`Creature` 部分只存在一个。
消除二义性： `b.age_` 现在是合法的，并且指向那个唯一的 `age_` 成员。
构造和析构的特殊规则：
构造： 在虚继承中，最派生类（最底层的类，例如 `Bat`）负责初始化所有虚基类。这意味着 `Bat` 的构造函数（无论是否显式定义）会负责调用 `Creature` 的构造函数。而中间层（`Mammal` 和 `Bird`）的构造函数虽然也会被调用，但它们对虚基类 `Creature` 的初始化尝试会被忽略，因为 `Bat` 已经完成了这个任务。这就是为什么我们只看到一次 `Creature constructor` 的输出。
析构： 虚基类的析构函数会按照与构造函数相反的顺序进行析构，但由最派生类负责调用。

虚继承的实现细节（为什么“蛋疼”）

为了实现共享基类，编译器通常需要改变对象的内存布局：

1. 增加“虚拟基类指针”（vptr of vbtable）： 在派生类（如 `Mammal`, `Bird`）的对象中，可能会插入一个额外的指针，称为 虚基类指针 (Virtual Base Class Pointer, VBPtr)。这个指针指向一个 虚拟基类表 (Virtual Base Class Table, VBTable)。
2. 虚拟基类表： 这个表存储了指向实际的、共享的虚基类（如 `Creature`）子对象的偏移量信息。
3. 访问虚基类成员的间接性： 当访问 `Bat` 对象的虚基类成员（如 `age_`）时，编译器会执行以下操作：
找到 `Bat` 对象中的虚基类指针。
通过虚基类指针找到虚拟基类表。
在虚拟基类表中查找指向 `Creature` 子对象的偏移量。
使用这个偏移量来定位 `Creature` 子对象，然后访问 `age_`。

这种间接访问机制是虚继承带来性能开销的原因。对象的布局也变得不再是简单的成员叠加，而是可能包含指针和偏移量，使得理解和调试更加困难。

一个可能的对象布局示例：

```
// 假设 Creature size = 4 bytes (for int age_)
// 假设指针 size = 8 bytes

// Mammal (继承了 virtual Creature)
// 布局可能像这样:
// [ Creature 的偏移量 ] [ Creature 的年龄 age_ ]
// ^ ^
// vbp_ vptr (if Mammal is also virtual base of something else)
// (指向 Creature 子对象的偏移量)

// Bird (继承了 virtual Creature)
// 布局可能像这样:
// [ Creature 的偏移量 ] [ Creature 的年龄 age_ ]
// ^ ^
// vbp_ vptr (if Bird is also virtual base of something else)
// (指向 Creature 子对象的偏移量)

// Bat (继承了 public Mammal, public Bird)
// 布局可能像这样:
// [ 虚基类指针指向 Mammal 的 VBTable ] (Mammal 的虚基类指针 VBPtr)
// [ Mammal 的其他成员 (如果有的话) ]
// [ 虚基类指针指向 Bird 的 VBTable ] (Bird 的虚基类指针 VBPtr)
// [ Bird 的其他成员 (如果有的话) ]
// [ 共享的 Creature 子对象 (age_) ]

// VBTable for Mammal:
// [ 偏移量指向 Bat 对象中的 Creature 子对象 ]

// VBTable for Bird:
// [ 偏移量指向 Bat 对象中的 Creature 子对象 ]
```

注意： 上述布局只是一个示例，实际布局可能更复杂，并且依赖于编译器的具体实现（例如，某些编译器可能会将虚基类成员直接放在派生类对象中，并使用一个“零偏移量”的指针来指明其位置，或者将所有共享的基类成员集中到一个地方）。

那么，在实际中真的很少用到吗？

这个说法有一定道理，但也不能一概而论。

为什么感觉用处不大？

1. C++ 的多重继承本身就存在争议： 很多开发者更倾向于使用接口继承或组合（Composition）来避免多重继承带来的复杂性。多重继承容易导致代码难以理解、维护和扩展。
2. 菱形继承问题并不常见： 在绝大多数项目中，设计的类层次结构并不一定会遇到典型的菱形继承问题。一个类同时需要继承两个抽象父类，而这两个抽象父类又有一个共同的更抽象的祖先，这种情况相对少见。
3. 替代方案的流行：
接口（纯虚函数）： 如果你的基类主要是定义行为规范（接口），那么使用纯虚函数（`virtual void func() = 0;`）可以让派生类实现这些行为，而不需要共享数据成员。这种情况下，多重继承就不是为了共享数据，而是为了组合行为，通常不会遇到菱形问题。
组合 (Composition)： 将一个类的对象作为另一个类的数据成员，是实现“拥有”关系和代码复用的首选方式。例如，一个 `Car` 可以拥有一个 `Engine` 对象，而不是直接继承 `Engine`。

在哪些场景下可能用到？

1. 设计库或框架： 当你设计一个底层库或框架时，需要考虑各种可能的继承组合。例如，在图形界面库中，一个可交互的窗口组件可能继承自一个显示组件，同时又继承了一个事件处理组件，而这两个组件可能都继承自一个通用的“对象”或“节点”类。
2. 特定的类层次结构： 确实存在一些精心设计的类层次结构，它们天然地利用了虚继承来解决菱形问题，并实现共享数据或状态。例如，在某些游戏引擎或模拟系统中，复杂的实体可能需要从多个独立的“能力”或“属性”基类派生，而这些基类又有一个共同的“基础”类。
3. 理解 C++ 的强大与复杂： 即使不主动使用虚继承，理解它是如何工作的，也能够让你更深入地理解 C++ 的面向对象特性是如何在底层实现的，这对于你理解其他更高级的特性（如 RTTI、虚函数表等）非常有帮助。

总结：

对于绝大多数日常 C++ 开发，你可能很少主动写出使用虚继承的代码。
但是，在你使用的某些第三方库或框架的底层，虚继承可能被默默地使用着。
如果你想成为一名精通 C++ 的开发者，深入理解虚继承是理解 C++ 对象模型和多重继承复杂性的关键一环。 它的复杂性正是它强大的体现，虽然这种强大并非总是需要，但了解它的存在和工作方式，能够帮助你更好地选择设计模式，避免潜在的陷阱。

继续深究的价值

1. 深入理解对象模型： 虚继承迫使你去思考对象在内存中的布局方式，虚函数指针、虚基类指针、虚基类表的作用，这都是理解 C++ 对象模型的核心要素。
2. 剖析多重继承的细节： 它让你明白多重继承的引入带来了哪些挑战，以及 C++ 是如何通过引入额外的机制（如虚继承）来解决这些挑战的。
3. 调试复杂问题： 当你遇到涉及多重继承的 bug，或者分析对象大小、内存占用时，对虚继承的理解会让你事半功倍。
4. 成为 C++ 专家的标志： 对于那些在 C++ 领域有深入研究和贡献的开发者来说，对虚继承的透彻理解是必备技能。

最终建议：

如果你对《深度探索 C++ 对象模型》这本书感兴趣，并且希望深入理解 C++，那么强烈建议你继续深究虚继承。虽然它“看着蛋疼”，但正是这些“蛋疼”的细节，构成了 C++ 的强大和灵活性。通过理解它，你将能够：

写出更清晰的多重继承代码（如果确实需要）。
更好地理解和使用那些可能使用了虚继承的库。
提升你对 C++ 底层机制的认知水平。

不要害怕它的复杂性，把它当作一个挑战来学习。理解了虚继承，你就能更好地理解 C++ 的很多其他特性，并且你会发现，很多之前看起来难以理解的现象，现在都有了清晰的解释。

如果你想进一步了解，可以尝试：

1. 使用不同的编译器（GCC, Clang, MSVC）编译带有虚继承的代码，观察对象大小和布局（例如使用 `sizeof()` 和调试器）。
2. 阅读关于 C++ 对象模型的详细文档或书籍，了解不同编译器对虚继承的实现策略。
3. 尝试构建更复杂的虚继承场景，看看会出现什么问题，以及如何用虚继承来解决。

祝你学习顺利！

虚继承一般用不到，除非你是设计Framework的。

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写给评论区的人：你们都很厉害，放过我这个C++新手好吗？