题目
菱形继承场景下的多态与动态类型转换
信息
- 类型：问答
- 难度：⭐⭐⭐
考点
虚函数表布局,多重继承内存模型,虚基类初始化,dynamic_cast原理,typeid动态类型识别
快速回答
在菱形继承场景中正确处理多态和类型转换的关键点：
- 使用虚继承解决基类数据重复问题
- 虚函数表在多重继承中可能有多个vptr指针
- 虚基类由最终派生类直接初始化
dynamic_cast通过RTTI信息进行安全的跨继承树转换typeid在含有虚函数的类上返回动态类型
问题场景
设计一个具有菱形继承结构的图形系统：
Shape(基类) → Polygon(虚继承) → Rectangle
Shape(基类) → Colored(虚继承) → Rectangle
要求实现动态类型识别和安全的跨继承树转换。
代码示例
class Shape {
public:
virtual ~Shape() {}
virtual void draw() const = 0;
};
class Polygon : virtual public Shape {
public:
void addVertex(const Point& p) { /*...*/ }
};
class Colored : virtual public Shape {
public:
void setColor(Color c) { color = c; }
private:
Color color;
};
class Rectangle : public Polygon, public Colored {
public:
void draw() const override { /*...*/ }
};
// 使用场景
Shape* createComplexShape() {
return new Rectangle();
}
void process(Shape* shape) {
// 要求1：安全转换为Colored类型
if (Colored* colored = dynamic_cast<Colored*>(shape)) {
colored->setColor(Red);
}
// 要求2：识别实际类型
if (typeid(*shape) == typeid(Rectangle)) {
cout << "Actual type is Rectangle" << endl;
}
}核心原理
- 虚继承内存模型：虚基类在对象中只有唯一实例，由最终派生类直接初始化
- vTable布局：多重继承对象包含多个vptr，指向不同基类的虚函数表
- dynamic_cast原理：通过RTTI信息遍历继承树，计算目标类型的地址偏移量
- typeid实现：通过vptr访问type_info对象，虚函数表首项指向类型信息
最佳实践
- 对多态基类声明虚析构函数，确保正确释放资源
- 使用虚继承解决菱形继承的数据冗余问题
- 优先使用dynamic_cast而非static_cast进行向下转型
- 在需要精确类型匹配时使用typeid，但需注意其性能开销
常见错误
- 错误1：忘记虚继承导致基类数据重复（菱形继承问题）
- 错误2：对非多态类型使用dynamic_cast（未定义行为）
- 错误3：错误处理dynamic_cast失败情况（未检查空指针）
- 错误4：在构造函数/析构函数中使用typeid（返回静态类型）
扩展知识
- RTTI开销：虚函数表增加type_info指针，dynamic_cast需要遍历继承树
- 跨模块类型识别：typeid在不同动态库中可能失效（需统一编译器ABI）
- 替代方案：双重分派（Visitor模式）避免频繁类型检查
- 性能优化：虚函数调用（约3周期） vs dynamic_cast（可达100+周期）
