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钻石问题（菱形继承问题） 和虚继承 在C++中，什么叫做钻石问题（也可以叫菱形继承问题），怎么避免它？

分类: IT文章 • 2023-10-29 20:57:39


下面的图表可以用来解释钻石问题。


钻石问题（菱形继承问题） 和虚继承 在C++中，什么叫做钻石问题（也可以叫菱形继承问题），怎么避免它？


钻石问题（菱形继承问题） 和虚继承 在C++中，什么叫做钻石问题（也可以叫菱形继承问题），怎么避免它？


假设我们有类B和类C，它们都继承了相同的类A。另外我们还有类D，类D通过多重继承机制继承了类B和类C。因为上述图表的形状类似于钻石（或者菱形），因此这个问题被形象地称为钻石问题（菱形继承问题）。现在，我们将上面的图表翻译成具体的代码：


[cpp] view plain copy
  1. /* 
  2. Animal类对应于图表的类A 
  3. */  
  4.                                   
  5. class Animal { /* ... */ }; // 基类  
  6. {  
  7. int weight;  
  8.   
  9. public:  
  10.   
  11. int getWeight() { return weight;};  
  12.   
  13. };  
  14.   
  15. class Tiger : public Animal { /* ... */ };  
  16.   
  17. class Lion : public Animal { /* ... */ }      
  18.                           
  19. class Liger : public Tiger, public Lion { /* ... */ };    

在上面的代码中，我们给出了一个具体的钻石问题例子。Animal类对应于最顶层类（图表中的A），Tiger和Lion分别对应于图表的B和C，Liger类（狮虎兽，即老虎和狮子的杂交种)对应于D。

现在，问题是如果我们有这种继承结构会出现什么样的问题。

看看下面的代码后再来回答问题吧。

[cpp] view plain copy
  1. int main( )  
  2. {  
  3. Liger lg ;  
  4.   
  5. /*编译错误，下面的代码不会被任何C++编译器通过 */  
  6.   
  7. int weight = lg.getWeight();    
  8. ｝  


在我们的继承结构中，我们可以看出Tiger和Lion类都继承自Animal基类。所以问题是：因为Liger多重继承了Tiger和Lion类，因此Liger类会有两份Animal类的成员（数据和方法），Liger对象"lg"会包含Animal基类的两个子对象。

所以，你会问Liger对象有两个Animal基类的子对象会出现什么问题？再看看上面的代码-调用"lg.getWeight()"将会导致一个编译错误。这是因为编译器并不知道是调用Tiger类的getWeight()还是调用Lion类的getWeight()。所以，调用getWeight方法是不明确的，因此不能通过编译。


钻石问题的解决方案：


我们给出了钻石问题的解释，但是现在我们要给出一个钻石问题的解决方案。如果Lion类和Tiger类在分别继承Animal类时都用virtual来标注，对于每一个Liger对象，C++会保证只有一个Animal类的子对象会被创建。看看下面的代码:

[cpp] view plain copy
  1. class Tiger : virtual public Animal { /* ... */ };  
  2.   
  3. class Lion : virtual public Animal { /* ... */ }  

你可以看出唯一的变化就是我们在类Tiger和类Lion的声明中增加了"virtual"关键字。现在类Liger对象将会只有一个Animal子对象，下面的代码编译正常:
[cpp] view plain copy
  1. int main( )  
  2. {  
  3. Liger lg ;  
  4.   
  5. /*既然我们已经在Tiger和Lion类的定义中声明了"virtual"关键字，于是下面的代码编译OK */  
  6.   
  7. int weight = lg.getWeight();    
  8. }  


因为Java不支持多继承，所以不会出现菱形继承问题。但是Java可以通过接口间接实现多重继承。
[java] view plain copy
  1. Class Mule implements Horse,Donkey  
  2. {  
  3.     /* Horse和Donkey是接口*/  
  4. } 
 

虚继承

2.1.概念

这时候虚继承就挺身而出，扛下搞定此问题的重担了。虚继承是一种机制，类通过虚继承指出它希望共享虚基类的状态。对给定的虚基类，无论该类在派生层次中作为虚基类出现多少次，只继承一个共享的基类子对象，共享基类子对象称为虚基类。虚基类用virtual声明继承关系就行了。这样一来，D就只有A的一份拷贝。如下：

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  1. class A  
  2. {  
  3. public:  
  4.     A():a(1){};  
  5.     void printA(){cout<<a<<endl;}  
  6.     int a;  
  7. };  
  8.   
  9. class B : virtual public A  
  10. {  
  11. };  
  12.   
  13. class C : virtual public A  
  14. {  
  15. };  
  16.   
  17. class D:  public B ,  public C  
  18. {  
  19. };  
  20.   
  21. int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
  22. {  
  23.     D d;  
  24.     cout<<sizeof(d);  
  25.     d.a=10;  
  26.     d.printA();  
  27. }  

输出d的大小是12（包含了2个4字节的D类虚基指针和1个4字节的int型整数）。而a和printA()都可以正常访问。最典型的应用就是iostream继承于istream和ostream，而istream和ostream虚继承于iOS。

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  1. class istream : virtual public ios{...};  
  2. class ostream : virtual public ios{...};  
  3. class iostream : public istream, public ostream{...};  

2.2.注意

（1）支持到基类的常规转换。也就是说即使基类是虚基类，也照样可以通过基类指针或引用来操纵派生类的对象。

（2）虚继承只是解决了菱形继承中派生类多个基类内存拷贝的问题，并没有解决多重继承的二义性问题。

（3）通常每个类只会初始化自己的直接基类，如果不按虚继承处理，那么在菱形继承中会出现基类被初始两次的情况，在上例中也就是A→B→A→C→D。为了解决这个重复初始化的问题，虚继承对初始化进行了特殊处理。在虚继承中，由最底层派生类的构造函数初始化虚基类。体会一下下面这个例子：

钻石问题（菱形继承问题） 和虚继承 在C++中，什么叫做钻石问题（也可以叫菱形继承问题），怎么避免它？

输出构造和析构顺序：

[cpp] view plain copy 钻石问题（菱形继承问题） 和虚继承 在C++中，什么叫做钻石问题（也可以叫菱形继承问题），怎么避免它？钻石问题（菱形继承问题） 和虚继承 在C++中，什么叫做钻石问题（也可以叫菱形继承问题），怎么避免它？
  1. C()  
  2. E()  
  3. A()  
  4. B()  
  5. D()  
  6. F()  
  7. ~F()  
  8. ~D()  
  9. ~B()  
  10. ~A()  
  11. ~E()  
  12. ~C()  

可以看出，首先按声明顺序检查直接基类（包括其子树），看是否有虚基类，先初始化虚基类（例中首先初始化C和E）。一旦虚基类构造完毕，就按声明顺序调用非虚基类的构造函数（例中ABDF），析构的调用次序和构造调用次序相反
 
 

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