Data 語義學(xué)（三）

“繼承” 與 Data member

上期的這個繼承的模塊我們還剩下一個虛擬繼承（virtual inheritance）沒有講，現(xiàn)在我們就來看看吧。

• 虛擬繼承（Virtual Inheritance）

  虛擬繼承本質(zhì)就是：通過某種形式來實現(xiàn)共享繼承，使被繼承的類在繼承體系中只存在一個實例。最常用的就是：解決菱形繼承。

  下面我們看一個熟悉的例子：

  

  這樣我們就能夠很清楚的知道多重繼承和虛擬繼承的區(qū)別，而且我們也能看出在多重繼承的體系下，我們需要維護(hù)兩個 ios base class object ，這就造成了空間和效率上的浪費(fèi)，我們不僅要為這兩個 ios object 分配空間，我們還要同步對他們的修改操作，來保證兩個 object 是一樣的。所以，解決這個問題的關(guān)鍵就是導(dǎo)入虛擬繼承（virtual inheritance）。

  class ios { ... }
  class istream : public virtual ios { ... }
  class ostream : public virtual ios { ... }
  class iostream : public istream, public ostream { ... }
  

  但是在編譯器中實現(xiàn)虛擬繼承難度很高：編譯器需要一個足夠有效的方法，將 istream 和 ostream 各自維護(hù)的一個 ios subobject，折疊成為一個由 iostream 維護(hù)的單一的 ios subobject，并且還可以保存 base class 和 derived class 的指針（以及 引用）之間的多態(tài)指定的操作。（polymorphism assignments）。

  一般的實現(xiàn)方法是這樣的：**Class 如果內(nèi)含一個或多個 virtual base class subobjects，像 istream 那樣，將被分割成兩部分，一個不變區(qū)域和一個共享區(qū)域。**不變區(qū)中的數(shù)據(jù)，不管后繼如何衍化，總是擁有固定的 offset，所以這一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被直接存取。至于共享區(qū)域，所表現(xiàn)的就是 virtual base class object。這一部分的數(shù)據(jù)，其位置會因為每一個的派生操作而發(fā)生變化，所以它們只可以被間接存取。各家編譯器實現(xiàn)技術(shù)之間的差異就在于間接存取的方法不同。下面就為大家介紹這三種方法。

  首先看看Vertex3d虛擬繼承的層次結(jié)構(gòu)。

  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;
  };// 繼承關(guān)系
  //				Point2d(_x, _y)
  //				    |
  //				____|____
  //			    |        | 
  //		Vertex(next)	Point3d(_z)
  //		    	|        |
  //			    |________|
  //					|
  //				  Vertex3d(mumble)
  

  **一般的布局策略是先安排好 derived class 的不變部分，然后再建立其共享部分。**不同的編譯器對 virtual inheritance 的實現(xiàn)的不同就體現(xiàn)在共享部分的實現(xiàn)上。

  • 第一個方法：在 derived class 種添加指向 virtual base class 的指針

    直接上書上的例子

    void Point3d::operator+=(const Point3d &rhs)
    {_x += rhs._x;_y += rhs._y;_z == rhs._z;
    };
    // 在這種策略下，這個運(yùn)算符會被內(nèi)部轉(zhuǎn)換為
    _vbcPoint2d->_x += rhs._vbcPoint2d->_x;
    _vbcPoint2d->_y += rhs._vbcPoint2d->_y;
    _z += rhs._z;// 現(xiàn)在我們考慮另一種情況
    Point2d *p2d = pv3d;
    // 同樣在這種策略下，這個轉(zhuǎn)換也會被內(nèi)部轉(zhuǎn)換為
    Point2d *p2d = pv3d ? pv3d->_vbcPoint2d : 0;
    

    這個實現(xiàn)模型有兩個主要的缺點：

    • 每一個對象必須針對其每一個 virtual base class 背負(fù)一個額外的指針。然而理想上我們卻希望 class object 有固定的負(fù)擔(dān)，不因為其 virtual base class 的個數(shù)而變化。
    • 由于虛擬繼承串鏈的加長，導(dǎo)致間接存取層次的增加。這里的意思是，如果我有三層虛擬派生，我就需要三次間接存取（經(jīng)由三個 virtual base class 指針）。然而理想上我們卻希望有固定的存取時間，不因為虛擬派生的深度而改變。

    對于第二缺點，有些編譯器會選擇通過拷貝的操作取得所有的 nested virtual base class 指針，放到 derived class object 之中。這就解決了“固定存取時間”的問題，但是同時也付出一些空間上的代價。所以一般這些編譯會提供一個選項——詢問程序員是否要產(chǎn)生雙重指針。

    看看模型的布局
    

    對于第一個缺點，就引出了剩余的兩個解決方案。

  • Microsoft 編譯器引入了 virtual base class table。

    每一個class object 如果有一個或多個 virtual class table，就會由編譯器安插一個指針，指向 virtual base class table。至于正真的 vitual base class pointer 將會被放在該表格中。

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

    以上面的繼承體系為例，我們看看在這種策略下，每一個類（class）的布局

    上面的圖很直觀的呈現(xiàn)的這種將 virtual base class offset 和 virtual function table 結(jié)合的方法，virtual function table 可經(jīng)由正值或負(fù)值來索引。如果是正值，很顯然就是索引到了 virtual function table；如果是負(fù)值，則是索引到了 virtual base class offsets。

    // 再來看看這個 operator
    void Point3d::operator+=(const Point3d &rhs)
    {_x += rhs._x;_y += rhs._y;_z += rhs._z;
    }// 在這種策略下，編譯器在內(nèi)部做的轉(zhuǎn)換如下
    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;
    }// 轉(zhuǎn)換操作
    Point2d *p2d = pv3d;
    Point3d *p2d = pv3d ? pv3d + pv3d->_vptr_Point3d[-1] : 0;
    

  上面的每一種方法都是一種實現(xiàn)模型，而不是一種標(biāo)準(zhǔn)。每一種模型都是用來解決 “存取 shared subobject 內(nèi)的數(shù)據(jù)（其位置會因每次派生操作而變化）”所引發(fā)的問題。

  一般而言，virtual base class 最有效的運(yùn)用形式就是：一個抽象的 virtual base class，沒有任何 data member。

  也就是我們所說的抽象類，在該類中定義純虛函數(shù)（pure virtual function），也稱為接口（interface）。

  還有一小節(jié)講的是類成員指針（data member pointer），但是有點奇怪的是實驗的結(jié)果跟書上顯式的不一樣，這個等我弄明白了再更吧，如果你們知道為什么求求出個文章吧。