C++ 函数语义学——多继承虚函数深释、第二基类与虚析构必加

多继承与虚函数：深入理解与最佳实践

1. 多继承下的虚函数机制

在 C++ 中，多继承允许一个类从多个基类继承。当涉及虚函数时，多继承可能会引入一些复杂性，特别是在虚函数表（vtable）和虚基类的处理上。

1.1 虚函数表的结构

在多继承情况下，每个基类都有自己的虚函数表（vtable）。派生类会继承所有基类的vtable，并可能修改或扩展它们。
多继承下的虚函数表结构：

1. 派生类对象通常包含多个vptr（虚函数表指针），每个对应一个基类。
2. 每个vptr指向一个独立的vtable。
3. 派生类重写的虚函数会更新相应的vtable条目。

1.2 示例代码

以下是一个示例，展示了多继承下的虚函数：

#include 

class Base1 {
public:
    virtual void show() {
        std::cout << "Base1::show" << std::endl;
    }
};

class Base2 {
public:
    virtual void display() {
        std::cout << "Base2::display" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    void show() override {
        std::cout << "Derived::show" << std::endl;
    }

    void display() override {
        std::cout << "Derived::display" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived derived;
    Base1* b1 = &derived;
    Base2* b2 = &derived;

    b1->show();     // 调用 Derived::show
    b2->display();  // 调用 Derived::display

    return 0;
}

1.3 解释

• 多继承：Derived 类从 Base1 和 Base2 两个基类继承。
• 虚函数重写：Derived 类重写了 Base1 的 show 函数和 Base2 的 display 函数。
• 多态性：通过基类指针 b1 和 b2 调用虚函数时，实际调用的是 Derived 类中的实现。

2. 多继承中的对象布局

多继承可能导致复杂的对象内存布局，特别是在涉及虚继承时。

2.1 简单多继承的对象布局

在简单多继承中，派生类对象包含所有基类的子对象。例如，对于上面的 Derived 类，其内存布局可能如下：

Derived对象:
+---------------+
| Base1's vptr  | --> Base1's vtable: [Derived::show]
+---------------+
| Base1's data  |
+---------------+
| Base2's vptr  | --> Base2's vtable: [Derived::display]
+---------------+
| Base2's data  |
+---------------+
| Derived's data|
+---------------+

3. 如何删除用对第二基类指针 new 出来的子类对象

在多继承的情况下，如果使用第二基类的指针通过 new 操作符创建子类对象，需要确保正确删除该对象。为此，基类的析构函数必须是虚函数。

3.1 示例代码

#include 

class Base1 {
public:
    virtual ~Base1() {
        std::cout << "Base1 destructor" << std::endl;
    }
};

class Base2 {
public:
    virtual ~Base2() {
        std::cout << "Base2 destructor" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    ~Derived() {
        std::cout << "Derived destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base2* b2 = new Derived();
    delete b2;  // 调用 Derived 的析构函数

    return 0;
}

3.2 解释

• 虚析构函数：Base1 和 Base2 类的析构函数必须是虚函数，以确保通过基类指针删除对象时，调用的是子类的析构函数。
• 正确删除对象：通过 Base2 指针 b2 删除 Derived 对象时，调用了 Derived 类的析构函数，确保对象正确销毁。

4. 父类非虚析构函数时导致的内存泄露演示

在 C++ 中，如果基类的析构函数不是虚函数，通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数。这可能会导致派生类中的资源没有被正确释放，从而引发内存泄露。

4.1 示例代码（内存泄露情况）

• 非虚析构函数：Base 类的析构函数不是虚函数。
• 动态分配内存：Derived 类在构造函数中动态分配了一块内存，并在析构函数中释放这块内存。
• 内存泄露：在 main 函数中，通过 Base 指针 base 删除 Derived 对象时，只调用了 Base 的析构函数，没有调用 Derived 的析构函数，导致 Derived 类中动态分配的内存没有被释放，从而引发内存泄露。

#include 

class Base {
public:
    ~Base() {  // 非虚析构函数
        std::cout << "Base destructor" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() {
        data = new int[100];  // 动态分配内存
    }

    ~Derived() {
        delete[] data;  // 释放内存
        std::cout << "Derived destructor" << std::endl;
    }

private:
    int* data;
};

int main() {
    Base* base = new Derived();
    delete base;  // 只调用 Base 的析构函数，不调用 Derived 的析构函数

    return 0;
}

4.2 解决方法

为了避免这种内存泄露问题，基类的析构函数应该声明为虚函数：

• 虚析构函数：Base 类的析构函数声明为虚函数。
• 正确释放内存：在 main 函数中，通过 Base 指针 base 删除 Derived 对象时，会先调用 Derived 的析构函数，正确释放动态分配的内存，然后再调用 Base 的析构函数。

class Base {
public:
    virtual ~Base() {  // 虚析构函数
        std::cout << "Base destructor" << std::endl;
    }
};

4.3 为什么父类用了虚析构函数后，执行结果就正常了？

• 非虚析构函数：不会触发动态绑定，只调用父类析构函数。
  • 如果父类的析构函数不是虚函数，则不会触发动态绑定，结果就是只会调用父类的析构函数而不会调用子类的析构函数，从而可能导致内存泄露（如果子类的析构函数中存在诸如 delete 这样的代码没被执行的话）。
• 虚析构函数：触发动态绑定，先调用子类析构函数，再调用父类析构函数。
  • 如果父类的析构函数是虚函数，则子类的析构函数一定是虚函数（就算子类析构函数前面不加 virtual 也还是虚析构函数，这是 C++ 语言的语法规则），则会触发系统的动态绑定，因为 new 的实际上是一个子类对象，所以先执行的是子类的析构函数，同时编译器还会向子类的析构函数中（具体地说明位置应该在子类析构函数的函数体后面）插入调用父类析构函数的代码，最终实现了先调用子类析构函数，再调用父类析构函数，达到了让整个对象完美释放的目的。

5. 多继承的最佳实践

1. 慎用多继承：多继承可能导致设计复杂化，应谨慎使用。
2. 接口继承vs实现继承：优先使用接口继承（纯虚函数）而非实现继承。
3. 避免菱形继承：如果无法避免，使用虚继承。
4. 正确处理析构函数：基类析构函数应为虚函数。
5. 使用 override 关键字：明确标记重写的虚函数，避免错误。

总结

• 多继承下的虚函数：子类可以重写多个基类的虚函数，通过基类指针调用虚函数时，会根据对象的动态类型调用子类的实现。
• 对象布局：多继承会导致复杂的对象内存布局，包含多个vtable指针。
• 删除用第二基类指针 new 出来的子类对象：基类的析构函数必须是虚函数，以确保正确销毁对象。
• 非虚析构函数导致内存泄露：基类的析构函数应该声明为虚函数，以确保通过基类指针删除对象时，调用的是派生类的析构函数，正确释放资源。
• 最佳实践：慎用多继承，正确处理虚函数和析构函数，遵循接口继承原则。