多重继承下的虚函数表与动态类型转换陷阱

题目

多重继承下的虚函数表与动态类型转换陷阱

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

多重继承虚函数表布局,动态类型转换原理,虚析构函数必要性,对象切片问题,RTTI机制

快速回答

本题考察多重继承场景下的多态行为核心机制：

• 虚函数表在多重继承中的布局：每个基类有独立虚表指针
• dynamic_cast通过RTTI验证继承关系，需注意指针偏移计算
• 虚析构函数保证完整对象析构链
• 对象切片导致多态行为丢失
• 非虚函数静态绑定与虚函数动态绑定差异

题目代码示例

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;

class Base1 {
public:
    Base1() { cout << "Base1()" << endl; }
    virtual ~Base1() { cout << "~Base1()" << endl; }
    virtual void foo() { cout << "Base1::foo()" << endl; }
    void bar() { cout << "Base1::bar()" << endl; }
};

class Base2 {
public:
    Base2() { cout << "Base2()" << endl; }
    virtual ~Base2() { cout << "~Base2()" << endl; }
    virtual void foo() { cout << "Base2::foo()" << endl; }
    void bar() { cout << "Base2::bar()" << endl; }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    Derived() { cout << "Derived()" << endl; }
    virtual ~Derived() { cout << "~Derived()" << endl; }
    virtual void foo() override { 
        cout << "Derived::foo()" << endl; 
    }
    void bar() { cout << "Derived::bar()" << endl; }
};

int main() {
    Derived d;
    Base1* pb1 = &d;
    Base2* pb2 = &d;

    // 动态类型转换
    Base2* pb2_cast = dynamic_cast<Base2*>(pb1);

    // 对象切片
    Base1 sliced = d;

    cout << "=== 虚函数调用 ===" << endl;
    pb1->foo();   // (1)
    pb2->foo();   // (2)
    pb2_cast->foo();  // (3)

    cout << "=== 非虚函数调用 ===" << endl;
    pb1->bar();   // (4)
    pb2->bar();   // (5)

    cout << "=== 对象切片调用 ===" << endl;
    sliced.foo();  // (6)
    sliced.bar();  // (7)

    cout << "=== 析构顺序 ===" << endl;
    return 0;
}

输出结果分析

Base1()
Base2()
Derived()
=== 虚函数调用 ===
Derived::foo()  // (1)
Derived::foo()  // (2)
Derived::foo()  // (3)
=== 非虚函数调用 ===
Base1::bar()    // (4)
Base2::bar()    // (5)
=== 对象切片调用 ===
Base1::foo()    // (6)
Base1::bar()    // (7)
=== 析构顺序 ===
~Derived()
~Base2()
~Base1()
~Base1()       // sliced对象析构

核心原理说明

1. 多重继承虚函数表布局

Derived对象内存布局：

| Base1 vptr | Base1数据 | Base2 vptr | Base2数据 | Derived数据 |
↑           ↑                 ↑
pb1        this             pb2

每个基类有独立的虚表指针：

• Base1虚表：~Base1, Derived::foo()
• Base2虚表：~Base2, Derived::foo()

2. dynamic_cast工作原理

Base2* pb2_cast = dynamic_cast<Base2*>(pb1)过程：

1. 通过RTTI获取pb1指向对象的实际类型（Derived）
2. 验证Base2是否在Derived的继承链中
3. 计算指针偏移：pb1指向Base1子对象，需调整指针到Base2子对象位置
4. 返回调整后的有效指针（若转换无效返回nullptr）

3. 虚析构函数必要性

若基类析构函数非虚：

Base1* obj = new Derived();
delete obj;  // 仅调用~Base1() → 内存泄漏！

~Derived() → ~Base2() → ~Base1()

4. 对象切片问题

Base1 sliced = d;导致：

• 复制构造仅拷贝Base1子对象（Derived部分被截断）
• 虚表指针重置为Base1虚表 → (6)调用Base1::foo()
• 非虚函数(7)静态绑定到Base1::bar()

最佳实践

• 始终声明基类虚析构函数：避免通过基类指针删除时的资源泄漏
• 慎用多重继承：优先使用单一继承+接口继承（纯虚类）
• 避免对象切片：使用指针/引用传递多态对象
• dynamic_cast使用规范：
  • 仅用于含虚函数的类（需要RTTI）
  • 检查转换结果（指针）或捕获异常（引用）

常见错误

1. 基类缺失虚析构函数 → 资源泄漏
2. 误用static_cast代替dynamic_cast → 未检查的类型转换风险
3. 未识别对象切片 → 多态行为异常
4. 在非虚函数中期望多态行为 → 函数静态绑定
5. 跨继承分支的dynamic_cast（如菱形继承未虚继承） → 返回nullptr

扩展知识

• 虚继承内存模型：解决菱形继承问题，虚基类共享存储
• RTTI开销：type_info存储于虚表首项，空间换类型安全
• 性能对比：

  操作	虚函数调用	dynamic_cast
  开销	1次指针跳转	遍历继承链+偏移计算

• C++11 override关键字：显式标记重写，避免隐藏问题