C++对象模型剖析（六）一一Data语义学（三）

Data 语义学（三）

“继承” 与 Data member

上期的这个继承的模块我们还剩下一个虚拟继承（virtual inheritance）没有讲，现在我们就来看看吧。

• 虚拟继承（Virtual Inheritance）

  虚拟继承本质就是：通过某种形式来实现共享继承，使被继承的类在继承体系中只存在一个实例。最常用的就是：解决菱形继承。

  下面我们看一个熟悉的例子：

  

  这样我们就能够很清楚的知道多重继承和虚拟继承的区别，而且我们也能看出在多重继承的体系下，我们需要维护两个 ios base class object ，这就造成了空间和效率上的浪费，我们不仅要为这两个 ios object 分配空间，我们还要同步对他们的修改操作，来保证两个 object 是一样的。所以，解决这个问题的关键就是导入虚拟继承（virtual inheritance）。

  class ios { ... }
  class istream : public virtual ios { ... }
  class ostream : public virtual ios { ... }
  class iostream : public istream, public ostream { ... }
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  但是在编译器中实现虚拟继承难度很高：编译器需要一个足够有效的方法，将 istream 和 ostream 各自维护的一个 ios subobject，折叠成为一个由 iostream 维护的单一的 ios subobject，并且还可以保存 base class 和 derived class 的指针（以及 引用）之间的多态指定的操作。（polymorphism assignments）。

  一般的实现方法是这样的：**Class 如果内含一个或多个 virtual base class subobjects，像 istream 那样，将被分割成两部分，一个不变区域和一个共享区域。**不变区中的数据，不管后继如何衍化，总是拥有固定的 offset，所以这一部分数据可以被直接存取。至于共享区域，所表现的就是 virtual base class object。这一部分的数据，其位置会因为每一个的派生操作而发生变化，所以它们只可以被间接存取。各家编译器实现技术之间的差异就在于间接存取的方法不同。下面就为大家介绍这三种方法。

  首先看看Vertex3d虚拟继承的层次结构。

  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 Vertetx3d : public Vertex, public Point3d {
  public:
      ...
  protected:
      float mumble;
  };
  
  // 继承关系
  //				Point2d(_x, _y)
  //				    |
  //				____|____
  //			    |        | 
  //		Vertex(next)	Point3d(_z)
  //		    	|        |
  //			    |________|
  //					|
  //				  Vertex3d(mumble)
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  **一般的布局策略是先安排好 derived class 的不变部分，然后再建立其共享部分。**不同的编译器对 virtual inheritance 的实现的不同就体现在共享部分的实现上。

  • 第一个方法：在 derived class 种添加指向 virtual base class 的指针

    直接上书上的例子

    void Point3d::operator+=(const Point3d &rhs)
    {
        _x += rhs._x;
        _y += rhs._y;
        _z == rhs._z;
    };
    // 在这种策略下，这个运算符会被内部转换为
    _vbcPoint2d->_x += rhs._vbcPoint2d->_x;
    _vbcPoint2d->_y += rhs._vbcPoint2d->_y;
    _z += rhs._z;
    
    // 现在我们考虑另一种情况
    Point2d *p2d = pv3d;
    // 同样在这种策略下，这个转换也会被内部转换为
    Point2d *p2d = pv3d ? pv3d->_vbcPoint2d : 0;
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    这个实现模型有两个主要的缺点：

    • 每一个对象必须针对其每一个 virtual base class 背负一个额外的指针。然而理想上我们却希望 class object 有固定的负担，不因为其 virtual base class 的个数而变化。
    • 由于虚拟继承串链的加长，导致间接存取层次的增加。这里的意思是，如果我有三层虚拟派生，我就需要三次间接存取（经由三个 virtual base class 指针）。然而理想上我们却希望有固定的存取时间，不因为虚拟派生的深度而改变。

    对于第二缺点，有些编译器会选择通过拷贝的操作取得所有的 nested virtual base class 指针，放到 derived class object 之中。这就解决了“固定存取时间”的问题，但是同时也付出一些空间上的代价。所以一般这些编译会提供一个选项——询问程序员是否要产生双重指针。

    看看模型的布局
    

    对于第一个缺点，就引出了剩余的两个解决方案。

  • Microsoft 编译器引入了 virtual base class table。

    每一个class object 如果有一个或多个 virtual class table，就会由编译器安插一个指针，指向 virtual base class table。至于正真的 vitual base class pointer 将会被放在该表格中。

  • 在 virtual function table 中放置 virtual base class 的 offset（而不是地址）。

    以上面的继承体系为例，我们看看在这种策略下，每一个类（class）的布局

    上面的图很直观的呈现的这种将 virtual base class offset 和 virtual function table 结合的方法，virtual function table 可经由正值或负值来索引。如果是正值，很显然就是索引到了 virtual function table；如果是负值，则是索引到了 virtual base class offsets。

    // 再来看看这个 operator
    void Point3d::operator+=(const Point3d &rhs)
    {
        _x += rhs._x;
        _y += rhs._y;
        _z += rhs._z;
    }
    
    // 在这种策略下，编译器在内部做的转换如下
    void Point3d::operator+=(const Point3d &rhs)
    {
        (this + _vptr_Point3d[-1])->_x += (&rhs + rhs._vptr_Point3d[-1])->_x;
        (this + _vptr_Point3d[-1])->_y += (&rhs + rhs._vptr_Point3d[-1])->_y;
        _z += rhs._z;
    }
    
    // 转换操作
    Point2d *p2d = pv3d;
    Point3d *p2d = pv3d ? pv3d + pv3d->_vptr_Point3d[-1] : 0;
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  上面的每一种方法都是一种实现模型，而不是一种标准。每一种模型都是用来解决 “存取 shared subobject 内的数据（其位置会因每次派生操作而变化）”所引发的问题。

  一般而言，virtual base class 最有效的运用形式就是：一个抽象的 virtual base class，没有任何 data member。

  也就是我们所说的抽象类，在该类中定义纯虚函数（pure virtual function），也称为接口（interface）。

  还有一小节讲的是类成员指针（data member pointer），但是有点奇怪的是实验的结果跟书上显式的不一样，这个等我弄明白了再更吧，如果你们知道为什么求求出个文章吧。