C/C++编程：继承与数据成员

╰+攻爆jí腚メ 2022-10-21 13:59 193阅读 0赞

在C++继承模型中：

*  派生类对象 = 自己的成员 + 基类成员
 *  对于派生类成员和基类成员的排序次序：大部分编译器中，基类成员总是先出现，但虚基类除外(一般来说，任何规则在遇上虚基类之后都会被打破)

# 没有继承 #

class Point2d{
        
    public:
    private:
    	float x, y;
    };
    
    class Point3d{
        
    public:
    private:
    	float x, y, z;	
    };

![在这里插入图片描述][20210505115350793.png]

对象布局图如下，在没有虚函数的情况下，它们和C struct完全一样  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 只要继承不要多态 #

> 一般来说，**具体继承(是相对虚拟继承来说的)并不会增加空间或者存取时间上的额外负担**

class Point2d{
        
    public:
        Point2d(float x = 0.0, float y = 0.0)
            : _x(x), _y(y) {
        };
    
        float x() {
         return _x;}
        float y() {
         return _y;}
    
        void x(float newX){
        _x = newX; }
        void y(float newY){
        _y = newY; }
    
        void operator += (const Point2d & rhs){
        
            _x += rhs._x;
            _y += rhs._y;
        }
    
    
    protected:
        float _x, _y;
    };
    
    class Point3d : public Point2d{
        
    public:
        Point3d(float x = 0.0, float y = 0.0, float z = 0.0)
                : Point2d(x, y), _z(z) {
        };
    
        float z() {
         return _z;}
        void z(float newZ){
        _z = newZ; }
    
        void operator += (const Point3d & rhs){
        
            Point2d::operator+=(rhs);
            _z += rhs._z;
        }
    
    
    protected:
        float _z;
    };

![在这里插入图片描述][20210505115340759.png]  
单一继承而且没有虚函数时的数据布局：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# 加上多态 #

如果要处理一个坐标点，而不在乎它是个Point2d还是Point3d实例，可以在继承关系中添加一个**虚函数**接口

class Point2d(){
        
    public:
        Point2d(float x = 0.0, float y = 0.0)
            : _x(x), _y(y) {
        };
    
    //x和y的存取操作和上面相同。由于对于不同维度的点，这些函数的操作固定不变，所以不必设计为虚函数
        float x() {
         return _x;}
        float y() {
         return _y;}
    
        void x(float newX){
        _x = newX; }
        void y(float newY){
        _y = newY; }
     
        // 加上z的保留空间
        virtual float z(){
        return 0.0;}
        virtual void z(float){
        }
    
    
        virtual void operator += (const Point2d & rhs){
        
            _x += rhs._x;
            _y += rhs._y;
        }
    
    
    protected:
        float _x, _y;
    }

只有当我们试图以多态的方式处理2d或者3d坐标点时，在设计中导入一个虚接口才合理。也就是说：

void foo(Point2d &p1, Point2d &p2){
        
    	p1 += p2;
    }

其中p1和p2可能是2d也可能是3d坐标点。这并不是先前任何设计所能支持的。这样的弹性，就是面向对象设计的中心。支持这样的弹性，势必给Point2d类带来空间和存取时间的额外负担：

*  导入一个和Point2d有关的虚函数表，用来存放它所声明的每一个虚函数的地址，这个表的元素数目一般是被声明的虚函数的数目，在加上一个或者两个slots(用以支持runtime type identification)
 *  在每一个类对象中导入一个vptr，提供运行期的链接，使每一个对象能够找到相应的虚函数表
 *  加强构造函数，使它能够为`vptr`设定初值，让它指向类所对应的虚函数表。这可能意味着在派生类和每一个基类的构造函数中，重新设定vptr的值。其情况视编译器的优化的积极性而定。
 *  加强析构函数，使它能够抹除**指向类相关的虚函数表**的`vptr`。要知道，vprt很可能已经在**派生类析构函数**中被设定为派生类的虚函数地址。析构函数的调用次数是反向的：从派生类到基类

class Point3d : public Point2d{
        
        Point3d(float x = 0.0, float y = 0.0, float z = 0.0)
                : Point2d(x, y), _z(z) {
        };
    
        float z() {
         return _z;}
        void z(float newZ){
        _z = newZ; }
    
        void operator += (const Point2d & rhs){
          // 注意，这里是Point2d 而不是Point3d
            Point2d::operator+=(rhs);
            _z += rhs._z;
        }
    protected:
        float _z;
    };

上面最大的好处是可以把operator+=运用在一个Point2d和Point3d对象上

Point2d pd2(2.1, 3.0);
    Point3d pd3(3.1, 5.2, 3.4);
    pd2 += pd3

> 把`vptr`放置在类对象的哪里会最好

在cfont编译器中，它被放置在类对象的尾端，用以支持下面的继承类型：

*  优点：
    
     *  单一继承提供了一种**自然多态**的形式，是关于类体系中的基类和派生类之间的准换。把一个派生类指定给基类的指针或者引用时(不管继承深度有多深)，并不需要编译器去调停或者修改地址，它可以很自然的发生，而且提供了最佳指向效率。
    
        Point3d p3d;
        Point2d *p = &p2d;
    
     *  把vptr放在类对象的尾端，可以保留基类C结构体的对象布局

struct no_virts{
        
    	int d1, d2;
    };
    
    class has_virts : public no_virts{
        
    	public:
    		virtual void foo();
    	private:
    		int d3;
    }; 
    
    no_virts *p = new has_virts;

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
到了C++2.0，开始支持虚拟继承和抽象基类，并且由于OO的兴起，某些编译器开始把vptr放在类对象的头部。

*  优点：帮助”多重继承时，通过指向类成员的指针调用虚函数“
 *  缺点：
    
     *  和C不兼容了
     *  当把vptr放在类对象的起始处时，如果基类没有虚函数而派生类有，那么单一继承的**自然多态**就会被打破，此时，把一个派生类转换为基类，就需要编译器调整地址(因为vptr的插入原因)  
        ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 多重继承 #

多重继承的复杂度在于派生类和上一个上上一个…基类之间的**非自然**关系。看个例子：

class Point2d{
        
    	public:
    		// ... 有
    	protected:
    		float _x, _y;
    };
    
    class Point3d : public Point2d{
        
    	public:
    		// ... 有
    	protected:
    		float _z;
    };
    
    class Vertex{
        
    	public:
    	protected:
    		Vertex *next;
    };
    
    class Vertex3d : 
    	public Point3, public Vertex{
        
    	public:
    	protected:
    		float mumble;
    };

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

多重继承的问题主要发生：

*  在派生类对象和其第2或者后继的基类对象之间的转换：

extern void mumble(const Vertex&);
    
    Vertex3d v;
    mumble(3); // 将一个Vertex3d 转换为一个Vertex。这是不自然的

*  经由其所制作的虚函数机制做转换

那么对于第一个问题：

*  对一个多重派生对象，将其地址指定给**第一个(最左边)基类的指针**，情况和单一继承相同，因为二者都指向相同地址，需要付出的只有地址的指定操作而已。
 *  对于第二或后继的基类的地址指定操作，需要修改地址：加上(或者减去，如果downcast的话)介于中间的基类子对象大的大小。

比如：

Vertex3d  v3d;
    Vertex  *pv;
    Point2d *p2d;
    Point3d *p3d;

*  对于：

pv = &v3d;

*  内部转换为：

pv = (Vertex*)((char*)v3d + sizeof(Point3d));

*  对于：

p2d = &v3d;
    p3d = &v3d;

*  只需要简单的拷贝地址就可以了。

已经知道：

Vertex3d *pv3d
    Vertex *pv;

*  对于下面指定操作：

pv = pv3d;

*  不能够只是简单的被转换为：

pv = (Vertex*)((char*)pv3d + sizeof(Point3d));

*  因为如果pv3d为0，pv将获得sizeof(Point3d)的值。所以，对于指针，内部转换应该有一个条件测试：

pv = pv3d 
    	 ? (Vertex*)((char*)pv3d + sizeof(Point3d))
    	 :0

至于引用，则不需要针对可能的0值做防卫，因为引用不可能引用到**无物**（no object）

如果要存取第二个(或者后继)基类中的一个数据成员，将会是怎样的情况？需要付出额外的成本吗？

*  不需要。**成员的位置在编译时就固定了**，因此存取成员只是一个简单的offset运算，就像单一继承一样简单----不管是经由指针、引用还是对象来存取

# 虚拟继承 #

多重继承的一个副作用是，他必须支持某种形式的`shared subobject继承`。比如：

class ios{
        };
    class istream : public ios{
        };
    class ostream : public ios{
        };
    class istream : 
    	public istream, public ostream {
        };

不管istream还是ostream都内含一个ios subobject。然而在iostream的对象布局中，我们只需要单一一份ios subobject就好。解决方法是引入虚拟继承

class ios{
        };
    class istream : public virtual ios{
        };
    class ostream : public virtual  ios{
        };
    class istream : 
    	public istream, public ostream {
        };

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
虚拟继承技术要求必须能够找到一个有效的方法：

*  将istream和ostream各自维护的一个ios subobject，折叠成一个由iostream维护的单一ios subobject，
 *  并且还可以保存基类和派生类的指针(或者引用)之间的多态指定操作。

一般的实现方法如下：

*  类如果内含一个或多个虚基类子对象，将被分割成两部分：一个不变局部和一个共享局部
 *  不变局部中的数据，不管后继如何演化，总是有固定的偏移量(从对象的开头算起)，所以这一部分的数据可以被直接存取
 *  共享局部表现的就是虚基类子对象。这部分的数据，其位置会因为每次的派生操作而变化，所以它们只可以被间接存取。

各家编译器实现技术的差役就在于共享局部间接存取的方法不同。常用的有三种策略。

看个例子：

class Point2d{
        
    public:
    protected:
    	float _x, _y;
    };
    
    class Vertex : public virtual Point2d{
        
    public:
    protected:
    	Vertex *next;
    };
    
    class Point3d : public virtual Point2d{
        
    public:
    protected:
    	float _z;
    };
    
    class Vertex3d : public Vertex, public Point3d{
        
    public:
    protected:
    	float memble;
    };

![在这里插入图片描述][20210505145156416.png]  
一般的布局策略是先安排好派生类的不变部分，然后再建立其共享部分。

但是这里有一个问题：怎么存取类的共享部分呢？

*  cfront编译器会在每一个派生类对象中安插一些指针，每一个指针指向一个虚基类
 *  要存取继承到的虚基类成员，可以用指针间接完成。

看个例子：

void Point3d::operator+=(const Point3d &rhs){
        
    	_x += rhs._x;
    	_y += rhs._y;
    	_z += rhs._z;
    };

在cfront策略下，这个运算符会被内部转化为：

__vbcPoint2d->_x += rhs.__vbcPoint2d->_x;
    __vbcPoint2d->_y += rhs.__vbcPoint2d->_y;
    _z += rhs._z;

而派生类和基类之间的转换：

Point2d *p2d = pv3d;

会变成：

Point2d *p2d = pv3d ? pv3d->vbcPoint2d:0;

这个实现模型有两个缺点：

*  每一个对象必须针对每个虚基类背负一个额外的指针。然而理想上我们却希望类对象有固定的负担，不因为其虚基类的数目而变化。这应该怎么解决呢？
 *  由于虚拟继承串链的加长，导致间接存取层次增加。比如如果有3层虚拟衍化，就需要3次间接存取(经由三个虚基类指针)。然而理想上我们希望有固定的存取时间。这应该怎么解决呢？

第一个问题一般有两种解决方法：

*  VS编译器引入虚基类表。每一个类对象如果有虚基类，就会由编译器安插一个指针，指向这个虚基类表。
 *  在虚函数表中放置虚基类的偏移量。比如下图：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

第二个问题的解决方法：  
\-拷贝所有的nested virtual base class指针，放到派生类对象中。这就解决了“固定存取时间”的间隔，虽然付出了一些空间上的代价  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
一般来说，虚基类最有效的一种运用形式是：一个抽象的虚基类，没有任何数据成员

[20210505115350793.png]: /images/20221021/561248cf3d2f4df6931eabb6d7c5afb0.png
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[20210505115340759.png]: /images/20221021/9d5fe564915a45e0b64ef429fdde7dda.png
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[20210505145156416.png]: /images/20221021/6f8a8d82d8f74465a5f2b724250f668e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20221021/52eeffa2a3ae4d91bc8041f96e85d3b2.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20221021/2c12d10f755c478e80f78796e5051b67.png