C++语言基础(10)-虚继承

一.产生背景

先看下列一份代码：

//间接基类A
class A{
protected:
    int m_a;
};

//直接基类B
class B: public A{
protected:
    int m_b;
};

//直接基类C
class C: public A{
protected:
    int m_c;
};

//派生类D
class D: public B, public C{
public:
    void seta(int a){ m_a = a; }  //命名冲突
    void setb(int b){ m_b = b; }  //正确
    void setc(int c){ m_c = c; }  //正确
    void setd(int d){ m_d = d; }  //正确
private:
    int m_d;
};

int main(){
    D d;
    return 0;
}

运行：

编译器报错：“reference to 'm_a' is ambiguous”,说明m_a变量指代不清，编译器不知道该为哪个m_a赋值，事实上，B和C均继承于A，所以B和C中均有m_a这个变量，此时在D中为m_a赋值，就搞不清楚究竟是给B中的m_a赋值还是给C中的m_a赋值了，为了解决多继承时的命名冲突和冗余数据问题，C++ 提出了虚继承，使得在派生类中只保留一份间接基类的成员。

二.具体使用

在继承方式前面加上 virtual 关键字就是虚继承，请看下面的例子：

//间接基类A
class A{
protected:
    int m_a;
};

//直接基类B
class B: virtual public A{  //虚继承
protected:
    int m_b;
};

//直接基类C
class C: virtual public A{  //虚继承
protected:
    int m_c;
};

//派生类D
class D: public B, public C{
public:
    void seta(int a){ m_a = a; }  //正确
    void setb(int b){ m_b = b; }  //正确
    void setc(int c){ m_c = c; }  //正确
    void setd(int d){ m_d = d; }  //正确
private:
    int m_d;
};

int main(){
    D d;
    return 0;
}

虚继承的目的是让某个类做出声明，承诺愿意共享它的基类。其中，这个被共享的基类就称为虚基类（Virtual Base Class），本例中的 A 就是一个虚基类。在这种机制下，不论虚基类在继承体系中出现了多少次，在派生类中都只包含一份虚基类的成员。在本例中，B和C两个类已经作出声明，可以共享它们的基类A，所以A中的成员变量m_a，将永远只有一份，因此再次编译就不会报错了。

三.虚继承时的构造函数

先看下列代码：

#include <iostream>
using namespace std;

//虚基类A
class A{
public:
    A(int a);
protected:
    int m_a;
};
A::A(int a): m_a(a){ }

//直接派生类B
class B: virtual public A{
public:
    B(int a, int b);
public:
    void display();
protected:
    int m_b;
};
B::B(int a, int b): A(a), m_b(b){ }
void B::display(){
    cout<<"m_a="<<m_a<<", m_b="<<m_b<<endl;
}

//直接派生类C
class C: virtual public A{
public:
    C(int a, int c);
public:
    void display();
protected:
    int m_c;
};
C::C(int a, int c): A(a), m_c(c){ }
void C::display(){
    cout<<"m_a="<<m_a<<", m_c="<<m_c<<endl;
}

//间接派生类D
class D: public B, public C{
public:
    D(int a, int b, int c, int d);
public:
    void display();
private:
    int m_d;
};
D::D(int a, int b, int c, int d): A(a), B(90, b), C(100, c), m_d(d){ }
void D::display(){
    cout<<"m_a="<<m_a<<", m_b="<<m_b<<", m_c="<<m_c<<", m_d="<<m_d<<endl;
}

int main(){
    B b(10, 20);
    b.display();
   
    C c(30, 40);
    c.display();

    D d(50, 60, 70, 80);
    d.display();
    return 0;
}

运行结果：

m_a=10, m_b=20
m_a=30, m_c=40
m_a=50, m_b=60, m_c=70, m_d=80

d.display()输出的结果很奇怪，不应该是100,60,70,80么？其实这里面涉及到了一个问题：

子类D的构造函数中，既调用了B和C的构造函数，又调用了A的构造函数，之前子类的构造函数只负责初始化它的直接父类，再由直接父类的构造函数初始化间接父类，用户尝试调用间接父类的构造函数将导致错误，这怎么又调用A的构造函数？

问题的源头是这样的：

现在采用了虚继承，虚基类 A 在最终派生类 D 中只保留了一份成员变量 m_a，如果由 B 和 C 初始化 m_a，那么 B 和 C 在调用 A 的构造函数时很有可能给出不同的实参，这个时候编译器就会犯迷糊，不知道使用哪个实参初始化 m_a。

那么该如何解决呢？

为了避免出现这种矛盾的情况，C++ 干脆规定必须由最终的派生类 D 来初始化虚基类 A，直接派生类 B 和 C 对 A 的构造函数的调用是无效的。在第 50 行代码中，调用 B 的构造函数时试图将 m_a 初始化为 90，调用 C 的构造函数时试图将 m_a 初始化为 100，但是输出结果有力地证明了这些都是无效的，m_a 最终被初始化为 50，这正是在 D 中直接调用 A 的构造函数的结果。

因此得出虚继承时构造函数的执行顺序是这样的：

虚继承时构造函数的执行顺序与普通继承时不同：在最终派生类的构造函数调用列表中，不管各个构造函数出现的顺序如何，编译器总是先调用虚基类的构造函数，再按照出现的顺序调用其他的构造函数；而对于普通继承，就是按照构造函数出现的顺序依次调用的。

可以将上例中D的构造函数修改成这样：

运行，发现结果仍然是：

m_a=10, m_b=20
m_a=30, m_c=40
m_a=50, m_b=60, m_c=70, m_d=80

所以，虽然我们将 A() 放在了最后，但是编译器仍然会先调用 A()，然后再调用 B()、C()，因为 A() 是虚基类的构造函数，比其他构造函数优先级高。如果没有使用虚继承的话，那么编译器将按照出现的顺序依次调用 B()、C()、A()。