虚基类 - 拾荒志

本文最后更新于：2022年10月28日下午

问题引出

问题：A中数据，在D中保存了两份。

虚继承

虚继承的目的是让某个类做出声明，承诺愿意共享它的基类。其中，这个被共享的基类就称为虚基类（Virtual Base Class）

虚派生只影响从指定了虚基类的派生类中进一步派生出来的类，它不会影响派生类本身。（本例中，虚继承只影响D，对B和C无影响）

C++实例

C++标准库中的 iostream 类就是一个虚继承的实际应用案例。iostream 从 istream 和 ostream 直接继承而来，而 istream 和 ostream 又都继承自一个共同的名为 base_ios 的类，是典型的菱形继承。此时 istream 和 ostream 必须采用虚继承，否则将导致 iostream 类中保留两份 base_ios 类的成员。

二义性

图2中的菱形继承为例，假设 A 定义了一个名为 x 的成员变量，当我们在 D 中直接访问 x 时，会有三种可能性：

如果 B 和 C 中都没有 x 的定义，那么 x 将被解析为 A 的成员，此时不存在二义性。
如果 B 或 C 其中的一个类定义了 x，也不会有二义性，派生类的 x 比虚基类的 x 优先级更高。
如果 B 和 C 中都定义了 x，那么直接访问 x 将产生二义性问题。

内存

对于每一个多态类型，其所有的虚函数的地址都以一个表格的方式存放在一起，每个函数的偏移量在基类型和导出类型中均相同，这使得虚函数相对于表格首地址的偏移量在可以在编译时确定。虚函数表格的首地址储存在每一个对象之中，称为虚(表)指针(vptr)或者虚函数指针(vfptr)，这个虚指针始终位于对象的起始地址。使用多态类型的引用或指针调用虚函数时，首先通过虚指针和偏移量计算出虚函数的地址，然后进行调用。

单继承

例子：

struct A
{
    int ax; // 成员变量
    virtual void f0() {}
    virtual void f1() {}
};

struct B : public A
{
    int bx; // 成员变量
    void f0() override {}; // 重写f0
};

内存模型：

struct A
 object                                            A VTable (不完整)
     0 - vptr_A -------------------------------->  +--------------+
     8 - int ax                                    |    A::f0()   |
sizeof(A): 16    align: 8                          +--------------+
                                                   |    A::f1()   |
                                                   +--------------+

struct B
 object                                         
     0 - struct A                                  B VTable (不完整)
     0 -   vptr_A ------------------------------>  +--------------+
     8 -   int ax                                  |    B::f0()   |
    12 - int bx                                    +--------------+
sizeof(A): 16    align: 8                          |    A::f1()   |
                                                   +--------------+

对于多态类型，除了要在运行时确定虚函数地址外，还需要提供运行时类型信息(Run-Time Type Identification, RTTI)的支持。一个显然的解决方案是，将类型信息的地址加入到虚表之中。为了避免虚函数表长度对其位置的影响，g++将它放在虚函数表的前。

在单链继承中，每一个派生类型都包含了其基类型的数据以及虚函数，这些虚函数可以按照继承顺序，依次排列在同一张虚表之中，因此只需要一个虚指针即可。并且由于每一个派生类都包含它的直接基类，且没有第二个直接基类，因此其数据在内存中也是线性排布的，这意味着实际类型与它所有的基类型都有着相同的起始地址。

多继承

与单链继承不同，由于两个父类完全独立，它们的虚函数没有顺序关系，即父类的第一个函数有着相同的偏移量，不可以顺序排布。并且父类中的成员变量也是无关的，因此基类间也不具有包含关系。这使得两个父类必须要处于两个不相交的区域中，同时需要有两个虚指针分别对它们虚函数进行索引。

                                                C Vtable (7 entities)
                                                +--------------------+
struct C                                        | offset_to_top (0)  |
object                                          +--------------------+
    0 - struct A (primary base)                 |     RTTI for C     |
    0 -   vptr_A -----------------------------> +--------------------+       
    8 -   int ax                                |       C::f0()      |
   16 - struct B                                +--------------------+
   16 -   vptr_B ----------------------+        |       C::f1()      |
   24 -   int bx                       |        +--------------------+
   28 - int cx                         |        | offset_to_top (-16)|
sizeof(C): 32    align: 8              |        +--------------------+
                                       |        |     RTTI for C     |
                                       +------> +--------------------+
                                                |    Thunk C::f1()   |
                                                +--------------------+