面试题：C++中多继承与虚继承的内存布局差异

Question

假设有类A、类B，类C继承自类A和类B，分别阐述在普通多继承和虚继承情况下，类C的对象的内存布局是怎样的，同时说明虚继承解决了什么问题，为什么会出现这种内存布局的差异。

Answer 1

普通多继承情况下类C对象的内存布局

1. 布局结构：
   • 类C对象的内存布局通常是先存放从类A继承来的数据成员，然后接着存放从类B继承来的数据成员。如果类C有自己的数据成员，那么在类A和类B的数据成员之后存放。
   • 例如，如果类A有数据成员a，类B有数据成员b，类C有数据成员c，那么类C对象的内存布局可能是a、b、c的顺序（具体顺序可能因编译器实现而有所不同）。
2. 示例代码（C++）：

class A {
public:
    int a;
};
class B {
public:
    int b;
};
class C : public A, public B {
public:
    int c;
};

在这种情况下，sizeof(C)的值通常是sizeof(A) + sizeof(B) + sizeof(c)（可能会考虑内存对齐等因素）。

虚继承情况下类C对象的内存布局

1. 布局结构：
   • 类C对象的内存布局会更加复杂。通常在对象开头会有一个指向虚基类表（vbtable）的指针（vptr），虚基类表中存储了偏移量等信息，用于找到虚继承的基类（这里是类A和类B的共同基类，如果存在的话）的数据成员位置。
   • 类C自己的数据成员在内存中紧跟在这个指针之后，然后再存放通过虚继承从类A和类B继承来的数据成员（如果有的话）。
2. 示例代码（C++）：

class A {
public:
    int a;
};
class B {
public:
    int b;
};
class C : virtual public A, virtual public B {
public:
    int c;
};

在这种情况下，sizeof(C)的值除了包含a、b、c的大小，还会包含vptr等额外开销。

虚继承解决的问题

1. 菱形继承问题：
   • 虚继承主要解决菱形继承带来的“数据冗余”和“二义性”问题。例如，假设有类D继承自类C，类C虚继承自类A和类B，类A和类B又都继承自同一个基类Base。在普通多继承下，类D中会存在Base类数据成员的两份拷贝，这就造成了数据冗余。同时，如果通过类D访问Base类的成员，会出现二义性，因为编译器不知道应该访问从类A继承来的Base类成员还是从类B继承来的Base类成员。
   • 虚继承通过让所有虚继承的类共享一份基类数据成员，解决了数据冗余问题。并且由于只有一份基类数据成员，也解决了访问时的二义性问题。

内存布局差异的原因

1. 普通多继承：
   • 普通多继承按照简单的线性方式布局内存，每个基类的数据成员依次排列，这种方式简单直接，易于理解和实现，但会导致菱形继承时的数据冗余和二义性问题。
2. 虚继承：
   • 虚继承为了实现共享基类数据成员，需要额外的机制来定位虚基类的数据成员。通过引入虚基类表和vptr指针，能够在运行时准确找到虚基类数据成员的位置，虽然增加了内存开销和复杂性，但有效解决了菱形继承的问题。