为什么需要在菱形层次结构的中间指定虚拟继承？

Question

我有类的钻石层次结构：

    A
  /   \
 B     C
  \   /
    D

为了避免 D 中存在 A 的两个副本，我们需要在 B 和 C 处使用虚拟继承。

class A                     {  }; 
class B: virtual public A {};
class C: virtual public A   { }; 
class D: public B, public C { }; 

问题：为什么需要在 B 和 C 处执行虚拟继承，即使在 D 处存在歧义？如果是在D就更直观了。

标准委员会为什么要这样设计这个功能呢？ 如果 B 类和 C 类来自第三方库，我们该怎么办？

编辑：我的答案是指示 B 和 C 类，每当创建其派生对象时，它们不应调用 A 的构造函数，因为它将由 D 调用。

Answer 1

我不确定他们选择以这种方式设计虚拟继承的确切原因，但我相信原因与对象布局有关。

假设 C++ 的设计方式是为了解决菱形问题，您将在 D 中虚拟继承 B 和 C，而不是在 B 和 C 中虚拟继承 A。现在，B 和 C 的对象布局是什么？好吧，如果没有人尝试从它们那里进行虚拟继承，那么他们每个人都会有自己的 A 副本，并且可以使用标准的优化布局，其中 B 和 C 的基础上都有一个 A。然而，如果有人实际上从 B 或 C 继承，那么对象布局就必须不同，因为两者必须共享 A 的副本。

这样做的问题是，当编译器首先看到 B 和 C，它不知道是否有人要继承它们。因此，编译器必须依靠虚拟继承中使用的较慢的继承版本，而不是默认启用的更优化的继承版本。这违反了 C++ 的“不为不使用的东西付费”的原则（零开销原则），即您只需为明确使用的语言功能付费。

Answer 2

为什么在 B 和 C 处需要执行虚拟继承，尽管在 D 处存在歧义？如果是D的话会更直观。

在您的示例中，B 和 C 专门使用 virtual 来要求编译器确保只涉及 A 的一份副本。如果他们不这样做，他们实际上是在说“我需要自己的 A 基类，我不希望与任何其他派生对象共享它”。这可能至关重要。

不想共享虚拟基类的示例

如果 A 是某种容器，B 是从它派生的并存储某种特定类型的对象 - 比如说“Bat”，而 C 则存储“Cat”。如果 D 希望 B 和 C 独立提供有关蝙蝠和猫种群的信息，那么如果 C 操作对蝙蝠做了什么，或者 B 操作对猫做了什么，他们会感到非常惊讶。

想要共享虚拟基类的示例

假设 D 需要提供对 A 中的某些函数或数据成员的访问，比如“A::x”...如果 A 是独立继承的（非-几乎）由 B 和 C，那么编译器无法将 D::x 解析为 B::x 或 C::x，而无需程序员显式消除歧义。这意味着尽管派生链隐含的不是一个而是两个“is-a”关系，但 D 不能用作 A（即，如果 B“是”A，并且 D“是”B，则用户可以期望/需要使用 D，就好像 D“是”A）。

为什么标准委员会要这样设计这个功能？

虚拟继承的存在是因为它有时很有用。它是由 B 和 C 指定的，而不是由 D 指定的，因为它对于 B 和 C 的设计来说是一个侵入性的概念，并且对 B 和 C 的封装、内存布局、构造和销毁以及函数调度也有影响。

如果 B 类和 C 类来自第三方库，我们该怎么办？

如果 D 需要从两者继承并提供对 A 的访问，但 B 和 C 未设计为使用虚拟继承且无法更改，则 D 必须负责将与 A API 匹配的任何请求转发到 B 和/或C和/或可选的另一个它直接继承的A（如果它需要可见的“是A”关系）。如果调用代码知道它正在处理 D （即使通过模板），那么这可能是实用的，但是通过指向基类的指针对对象进行的操作将不知道 D 正在尝试执行的管理，并且整个事情可能是很难做到正确。但这有点像说“如果我需要一个矢量而我只有一个列表怎么办”，“一把锯而不是螺丝刀”......好吧，充分利用它或得到你真正需要的东西。

编辑：我的答案是指示 B 和 C 类，每当创建其派生对象时，它们不应调用 A 的构造函数，因为它将由 D 调用。

是的，这是一个重要方面。

Answer 3

除了 templatetypedef 答案之外，可能会指出您还可以将 A 包装到其中

class AVirt:virtual public A{}; 

并从中继承其他类。在这种情况下，您不需要将其他继承显式标记为虚拟继承

Answer 4

问题：为什么在 B 和 C 处需要执行虚拟继承，尽管在 D 处存在歧义？

因为 B 和 C 的方法必须知道它们可能必须处理布局与 B 和 C 自己的布局有很大不同的对象。对于单一继承来说，这不是问题，因为派生类只是将其属性附加在父类的原始布局之后。

对于多重继承，你不能这样做，因为首先没有单一父级的布局。此外（如果你想避免 A 的重复）父级的布局需要在 A 的属性上重叠。 C++ 中的多重继承隐藏了相当多的复杂性。

Answer 5

由于 A 是多重继承类，因此直接从它派生的类必须如此虚拟。

如果您遇到这样一种情况，B 和 C 都派生自 A，并且您想要两者都在 D 中，并且无法使用菱形，那么 D 可以仅从 B 和 C 之一派生，并拥有另一个的实例，通过该实例它可以转发功能。

解决方法是这样的：

class B : public A; // not your class, cannot change
class C : public A; // not your class, cannot change

class D : public B; // your class, implement the functions of B
class D2 : public C; // your class implement the functions of C

class D
{
   D2 d2;
};