继承与 Data Member(1)

在 C++ 继承模型中，一个derived class object 所表现出来的东西，是其自己的的 members 加上其 base class members 的总和。至于 derived class members 和 base class members 的排列次序并未在 C++ Standard 中强制指定；理论上编译器可以自由安排之，就是说是个 multi-unordered-set(我自己编的名词)。在大部分编译器上头， base class members 总是先出现，但属于 virtual base class 的例外(反正就是，任何一个规则一旦碰到 virtual base class 就有例外，就是这么拧巴)。
然后可能就有人问了，假如我为 2D 或 3D 坐标点提供两个抽象数据类型如下：

//supporting abstract data types
class Point2d
{
public:
    //constructors
    //operations
    //access functinos
private:
    float _x, _y;
};

class Point3d
{
public:
    //constructors
    //opsrations
    //access functions
private:
    float _x, _y, _z;
};

这样的数据结构和层层派生，每个维度都派生自较低维有什么区别？所以以下内容将探讨以下情况：
1. 单一继承且不含 virtual functions
2. 单一继承并含 virtual functions
3. 多重继承
4. 虚拟继承
以上四种情况，下图就是在没有 virtualfunctions 的情况下，它们和 C struct 的区别(就是没区别，完全一样)

只继承不多态

想象一下，程序员可能希望，无论是 2D 还是 3D 坐标点，都能够共享一个实体，但又能继续使用与类型性质相关的实体。我们有一个设计策略，就是从 Point2d 派生出一个 Point3d，于是 Point3d 将继承 _x 和 _y 坐标的一切，带来的影响则是可以共享数据核对数据的处理方法，并将其局部化。一般而言，具体继承(concrete inheritance 相对于虚拟继承 virtual inheritance) 并不会增加空间或存取时间上的负担。即：

class Point2d
{
public:
    Point2d(float x = 0.0, float y = 0.0):_x(x), _y(y){}
    float X(){return _x;}
    float Y(){return _y;}
    
    void X(float x){_x = x;}
    void Y(float y){_y = y;}

    void operator+=(const Point2d &rhs)
    {
        _x += rhs.X();
        _y ++ rhs.Y();
    }
    //more operations
protected:
    float _x, _y;
};

class Point3d: public Point2d
{
public:
    Point3d(float x = 0.0, float y = 0.0, float z = 0.0)
        :Point2d(x, y), _z(z){}
    float Z(){return _z;}
    float Z(float z){_z = z;}
    
    void operator+=(const Point3d &rhs)
    {
        Point2d::operator+=(rhs);
        _z += rhs.Z();
    }
    //more operations
protected:
    float _z;
};

这样设计的好处就是可以把 x 和 y 坐标的程序代码局部化，以及可以更好的表示两个类之间的逻辑关系，当这两个泪独立的时候， Pointd 和 Point3d 的声明和使用都不会有所改变，所以这两个抽象的使用者不需要知道是否这个 object 是独立的 classes 类型，或是彼此之间有继承的关系，下图就显示了 Point2d 与 Point3d 之间继承关系的实物布局，其间并没有 virtual 接口(论述的这个情况没有多态)：

那么这么做又有什么坏处呢？
1. 经验不足的人可能会涉及一些相同操作的函数。以上个例子中的 constructor 和 operator 为例，他们并没有被做成 inline 函数(当然也可能是编译器为了某些里有没有支持 inline member functions)。 Point3d object 的初始化操作或加法操作将需要部分的 Pointd object 和部分的 Point3d object 作为成本。一般而言，选择某些函数做成 inline 函数，是设计 class 时的一个重要课题。
2. 把一个 class 分解为两层或更多层，有可能为了表现 class 体系的抽象化而膨胀所需空间。C++ 语言保证出现在 derived class 中的 base class subobject 有其完整原样性，这正是重点所在。举个例子，一个 class 只含有一个 int 成员变量和三个 char 成员变量，它的大小应是 8 bytes，但是一旦设计成上述的分层结构，同样多的成员，却要占 16 bytes 的空间，是原先的两倍！其原因可用下图解释：

而更可怕的结果是地址的覆盖，比如我声明一组指针：
Layer2 *p2;
Layer1 *p1_1, *p1_2;
其中 p1_1 和 p1_2 都可以指向上述三种 classes objects，而以下的的这个操作：
*p1_2 = *p1_1;
应该执行一个 memberwise 的复制操作，对象则是被指的 object 的 Layer1 那部分，那如果有以下操作：
p1_1 = p2;
//到这一步时就错了，因为 derived subobject 会被覆盖掉
*p1_2 = *p1_1; //p1_2 的对象现在有了一个不确定的数值
下图可解释发生的事情：

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