深入解析C++編程中基類與基類的繼承的相關(guān)知識
基類
繼承過程將創(chuàng)建一個新的派生類,它由基類的成員加上派生類添加的任何新成員組成。在多重繼承中,可以構(gòu)建一個繼承關(guān)系圖,其中相同的基類是多個派生類的一部分。下圖顯示了此類關(guān)系圖。
單個基類的多個實例
在該圖中,顯示了 CollectibleString 和 CollectibleSortable 的組件的圖形化表示形式。但是,基類 Collectible 位于通過 CollectibleSortableString 路徑和 CollectibleString 路徑的 CollectibleSortable 中。若要消除此冗余,可以在繼承此類類時將其聲明為虛擬基類。
多個基類
如多重繼承中所述,類可以從多個基類派生。在多重繼承模型中(其中,類派生自多個基類),使用 base-list 語法元素指定基類(請參閱概述中的“語法”一節(jié))。例如,可以指定派生自 CollectionOfBook 和 Collection 的 Book 的類聲明:
// deriv_MultipleBaseClasses.cpp // compile with: /LD class Collection { }; class Book {}; class CollectionOfBook : public Book, public Collection { // New members };
指定基類的順序并不重要,只不過在某些情況下,將調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)。在這些情況下,指定基類的順序?qū)⒂绊懀?br />
構(gòu)造函數(shù)進行初始化的順序。如果您的代碼依賴要在 Book 部分之前初始化的 CollectionOfBook 的 Collection 部分,則規(guī)范的順序很重要。按照 base-list 中指定類的順序執(zhí)行初始化。
調(diào)用析構(gòu)函數(shù)以進行清理的順序。同樣,如果在銷毀另一部分時必須呈現(xiàn)類的特定“部分”,則順序非常重要。按照與 base-list 中指定類的順序相反的順序調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。
注意
基類的規(guī)范順序會影響類的內(nèi)存布局。不要基于內(nèi)存中基成員的順序做出任何編程決策。
當(dāng)指定 base-list 時,不能多次指定同一類名。但是,可以將類多次作為派生類的間接基。
虛擬基類
由于一個類可能多次成為派生類的間接基類,因此 C++ 提供了一種優(yōu)化這種基類的工作方式的方法。虛擬基類提供了一種節(jié)省空間和避免使用多重繼承的類層次結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)多義性的方法。
每個非虛擬對象包含在基類中定義的數(shù)據(jù)成員的一個副本。這種重復(fù)浪費了空間,并要求您在每次訪問基類成員時都必須指定所需的基類成員的副本。
當(dāng)將某個基類指定為虛擬基時,該基類可以多次作為間接基而無需復(fù)制其數(shù)據(jù)成員?;惖臄?shù)據(jù)成員的單個副本由將其用作虛擬基的所有基類共享。
當(dāng)聲明虛擬基類時,virtual 關(guān)鍵字將顯示在派生類的基列表中。
請考慮下圖中的類層次結(jié)構(gòu),它演示了模擬的午餐排隊。
模擬午餐排隊圖
在該圖中,Queue 是 CashierQueue 和 LunchQueue 的基類。但是,當(dāng)將這兩個類組合成 LunchCashierQueue 時,會出現(xiàn)以下問題:新類包含類型 Queue 的兩個子對象,一個來自 CashierQueue,另一個來自 LunchQueue。下圖顯示了概念上的內(nèi)存布局(實際物理內(nèi)存布局可能會進行優(yōu)化)。
模擬午餐排隊對象
請注意,Queue 對象中有兩個 LunchCashierQueue 子對象。以下代碼將 Queue 聲明為虛擬基類:
// deriv_VirtualBaseClasses.cpp // compile with: /LD class Queue {}; class CashierQueue : virtual public Queue {}; class LunchQueue : virtual public Queue {}; class LunchCashierQueue : public LunchQueue, public CashierQueue {};
virtual 關(guān)鍵字可確保只包含子對象 Queue 的一個副本(請參閱下圖)。
使用虛擬基類模擬午餐排隊對象
一個類可以同時具有一個給定類型的虛擬組件和非虛擬組件。下圖演示了這種情況。
同一個類的虛擬組件與非虛擬組件
在圖中,CashierQueue 和 LunchQueue 將 Queue 用作虛擬基類。但是,TakeoutQueue 將 Queue 指定為基類而不是虛擬基類。因此,LunchTakeoutCashierQueue 具有類型 Queue 的兩個子對象:一個來自包含 LunchCashierQueue 的繼承路徑,另一個來自包含 TakeoutQueue 的路徑。下圖對此進行了演示。
帶虛擬和非虛擬繼承的對象布局
注意
與非虛擬繼承相比較,虛擬繼承提供了顯著的大小優(yōu)勢。但是,它可能會引入額外的處理開銷。
如果派生類重寫它從虛擬基類繼承的虛函數(shù),并且派生基類的構(gòu)造函數(shù)或析構(gòu)函數(shù)使用指向虛擬基類的指針調(diào)用該虛函數(shù),則編譯器可能會將其他隱藏的“vtordisp”字段引入到具有虛擬基的類中。/vd0 編譯器選項將禁止添加隱藏的 vtordisp 構(gòu)造函數(shù)/析構(gòu)函數(shù)置換成員。默認的 /vd1 編譯器選項會在必要時啟用它們。僅當(dāng)確定所有類構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)以虛擬方式調(diào)用虛函數(shù)時才關(guān)閉 vtordisps。
/vd 編譯器選項會影響整個編譯模塊。使用 vtordisp 雜注可以逐個類地禁用 vtordisp 字段,然后重新啟用這些字段:
#pragma vtordisp( off ) class GetReal : virtual public { ... }; #pragma vtordisp( on )
對于前面的類聲明,如下所示的代碼是不明確的,因為 b 所指的 b 是在 A 中還是在 B 中并不清楚:
C *pc = new C; pc->b();
名稱多義性
多重繼承使得沿多個路徑繼承名稱成為可能。沿這些路徑的類成員名稱不一定是唯一的。這些名稱沖突稱為“多義性”。
任何引用類成員的表達式必須采用明確的引用。以下示例說明如何產(chǎn)生多義性:
// deriv_NameAmbiguities.cpp // compile with: /LD // Declare two base classes, A and B. class A { public: unsigned a; unsigned b(); }; class B { public: unsigned a(); // Note that class A also has a member "a" int b(); // and a member "b". char c; }; // Define class C as derived from A and B. class C : public A, public B {};
請看前面的示例。由于名稱 a 是類 A 和類 B 的成員,因此編譯器無法辯明哪個 a 指定將調(diào)用函數(shù)。如果成員可以引用多個函數(shù)、對象、類型或枚舉數(shù),則對該成員的訪問是不明確的。
編譯器通過按此順序執(zhí)行測試來檢測多義性:
如果對名稱的訪問是不明確的(如上所述),則會生成錯誤消息。
如果重載函數(shù)是明確的,則將解析它們。(有關(guān)函數(shù)重載多義性的詳細信息,請參閱參數(shù)匹配。)
如果對名稱的訪問違背了成員訪問權(quán)限,則會生成錯誤消息。(有關(guān)詳細信息,請參閱成員訪問控制。)
在表達式通過繼承產(chǎn)生多義性時,您可以通過限定考慮中的名稱及其類名來手動消除該多義性。若要適當(dāng)編譯上面的示例而不產(chǎn)生多義性,請使用如下代碼:
C *pc = new C; pc->B::a();
注意
在聲明 C 時,如果在 B 的范圍內(nèi)引用 C,則可能會導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤。但不會發(fā)出任何錯誤,直到在 B 的范圍內(nèi)實際創(chuàng)建對 C 的非限定引用。
主導(dǎo)
通過一個繼承關(guān)系圖到達多個名稱(函數(shù)、對象或枚舉器)是可能的。這種情況被視為與非虛擬基類一起使用時目的不明確。這些名稱與虛擬基類一起使用時目的不明確,除非其中一個名稱“決定”其他名稱。
如果某個名稱在兩個類中定義并且一個類派生自另一個類,則該名稱可控制另一個名稱?;鶞拭Q是派生類中的名稱;此名稱在本應(yīng)出現(xiàn)多義性時使用,如以下示例所示:
// deriv_Dominance.cpp // compile with: /LD class A { public: int a; }; class B : public virtual A { public: int a(); }; class C : public virtual A {}; class D : public B, public C { public: D() { a(); } // Not ambiguous. B::a() dominates A::a. };
不明確的轉(zhuǎn)換
從指向類類型的指針或?qū)︻愵愋偷囊玫娘@式或隱式轉(zhuǎn)換可能會導(dǎo)致多義性。下圖(指向基類的指針的不明確轉(zhuǎn)換)顯示如下內(nèi)容:
D 類型的對象的聲明。
將 address-of 運算符 (&) 應(yīng)用于該對象的效果。請注意,address-of 運算符總是提供該對象的基址。
將使用 address-of 運算符獲取的指針顯式轉(zhuǎn)換為基類類型 A 的效果。請注意,將該對象的地址強制轉(zhuǎn)換為 A* 類型并不總是為編譯器提供足夠的信息,以供 A 類型的子對象進行選擇;在這種情況下,將存在兩個子對象。
指針到基類的不明確轉(zhuǎn)換
到類型 A*(指向 A 的指針)的轉(zhuǎn)換是不明確的,因為無法辯明 A 類型的哪個子對象是正確的。請注意,您可以通過顯式指定要使用的子對象來避免多義性,如下所示:
(A *)(B *)&d // Use B subobject. (A *)(C *)&d // Use C subobject.
多義性和虛擬基類
如果使用虛擬基類,則函數(shù)、對象、類型和枚舉數(shù)可通過多重繼承路徑到達。因為僅有一個基類實例,因此在訪問這些名稱時不存在二義性。
下圖顯示如何使用虛擬和非虛擬繼承構(gòu)成對象。
虛擬和非虛擬派生
在該圖中,通過非虛擬基類訪問類 A 的任何成員都將導(dǎo)致二義性;編譯器沒有解釋是使用與 B 關(guān)聯(lián)的子對象還是與 C 關(guān)聯(lián)的子對象的信息。但是,將 A 指定為虛擬基類時,訪問哪一個子對象都不成問題。
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