菱形继承详解

MWGJF • 2025-02-15 17:09 • 编程

菱形继承是一种继承关系，它在子类中存在两条从父类继承而来的路径，这两条路径最终会汇聚到同一个父类。

一、问题引入

传统的继承关系中，子类只继承自己的父类的特性，这样就避免了可能存在的冲突情况。但是，当我们引入多重继承时，情况就变得复杂起来。

考虑下面的情况，我们有一个动物类Animal，两个子类Cat和Dog，又有一个特殊子类Pet，需要从Cat和Dog中继承特性。


class Animal {
    public:
        virtual ~Animal() {}
        virtual void eat() = 0; // 吃东西
};

class Cat : virtual public Animal {
    public:
        void climb() { // 爬树
            cout << "Cat is climbing." << endl;
        }
};

class Dog : virtual public Animal {
    public:
        void run() { // 跑步
            cout << "Dog is running." << endl;
        }
};

class Pet : public Cat, public Dog {
};

此时Pet直接从Cat和Dog中继承了所有特性，看起来很完美。

二、问题的产生

然而，问题出现了。当我们直接使用Pet中从Cat和Dog继承而来的eat()方法时，会发现这个方法被调用了两次。


Pet pet;
pet.eat(); // 这个方法被调用两次

这是因为Pet中的Cat和Dog都继承了Animal类，而Pet中同时继承了Cat和Dog，这两个类又都从Animal中继承了一次，所以导致eat()被调用了两次。

三、菱形继承的解决方法

为了解决上述问题，我们引入了虚拟继承的概念。虚拟继承可以让共同的基类在派生类中只有一份拷贝，这样就避免了多次继承的问题。

我们只需要在Animal类与Cat和Dog的继承关系中加上virtual关键字，就可以实现虚拟继承。


class Animal {
    public:
        virtual ~Animal() {}
        virtual void eat() = 0; // 吃东西
};

class Cat : virtual public Animal {
    public:
        void climb() { // 爬树
            cout << "Cat is climbing." << endl;
        }
};

class Dog : virtual public Animal {
    public:
        void run() { // 跑步
            cout << "Dog is running." << endl;
        }
};

class Pet : virtual public Cat, virtual public Dog {
};

四、菱形继承的应用

虚拟继承可以避免多重继承的问题，因此在一些特殊场景下，菱形继承会被使用。

比如在工具类的实现中，我们可以使用菱形继承来避免冗余的代码。


class Tool {
    public:
        Tool() {}
        void use() { // 使用工具
            cout << "Use tool." << endl;
        }
};

class Painter : virtual public Tool {
    public:
        void paint() { // 绘画
            cout << "Using painter." << endl;
            use(); // 使用工具
        }
};

class Writer : virtual public Tool {
    public:
        void write() { // 写作
            cout << "Using writer." << endl;
            use(); // 使用工具
        }
};

class Artist : public Painter, public Writer {
};

在上述代码中，我们定义了Tool工具类，和两个子类Painter和Writer，这两个子类都继承了Tool中的use()方法。然后我们又定义了艺术家类Artist，它同时继承了Painter和Writer。由于Painter和Writer都虚拟继承了Tool，所以在Artist中虽然分别调用了Painter和Writer的方法，但只会触发一次use()方法的调用。

五、总结

菱形继承是一种有用的继承方式，在特殊场景下可以帮助我们避免多重继承导致的问题。虚拟继承是菱形继承实现的关键，它可以让共同的基类在派生类中只有一份拷贝。

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