详解C++中基类与派生类的转换以及虚基类

让我们来详解C++中基类与派生类的转换以及虚基类。

基类与派生类的转换

向上转型

在C++中，基类和派生类之间可以相互转换。向上转型是指将一个派生类对象转换为其基类对象，这种转换是自动进行的，因为派生类包含了基类的所有成员，而且这些成员在内存中的布局顺序是相同的。例如：

class Animal {
public:
    virtual void voice() {
        std::cout << "I am an animal." << std::endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    virtual void voice() {
        std::cout << "I am a cat." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Cat cat;          // 定义派生类对象
    Animal& animal = cat; // 向上转型
    animal.voice();      // 调用基类虚函数
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个基类Animal和一个派生类Cat。Cat类继承自Animal，并覆盖了其虚函数。在主函数中，我们创建了一个Cat的对象cat，然后将其转换为Animal类型。这种转换是自动进行的，因为Cat包含了Animal的所有成员。

向下转型

向下转型是指将一个基类对象转换为其派生类对象。这种转换是需要显式进行的，并且在转换之前需要检查基类指针是否指向了一个派生类对象。例如：

class Animal {
public:
    virtual void voice() {
        std::cout << "I am an animal." << std::endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    virtual void voice() {
        std::cout << "I am a cat." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animal = new Cat();  // 定义基类指针并指向派生类对象
    if (Cat* cat = dynamic_cast<Cat*>(animal)) {  // 向下转型，并检查是否成功
        cat->voice();          // 调用派生类虚函数
    }
    delete animal;  // 释放内存
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个Animal的指针指向Cat的对象。在向下转型之前，需要使用dynamic_cast检查指针是否指向了一个Cat对象。如果指针指向了一个Cat对象，就可以通过该指针访问派生类中的成员。

虚基类

在多重继承中，如果一个派生类对象继承自多个基类对象，并且这些基类对象中有一个或多个共同的基类对象，那么就会出现不同的基类对象中包含相同的成员变量的情况，从而导致歧义性的问题。为了避免这种情况，C++中提供了虚基类。

非虚基类的多继承

假设有一个Animal基类，有一个Dog和一个Cat的派生类继承自Animal基类。此时，如果有一个类同时继承自Dog和Cat，那么就会出现两个Animal基类对象在该类中，造成成员变量的二义性。

class Animal {
public:
    int age;
};

class Dog : public Animal{
public:
    int weight;
};

class Cat : public Animal{
public:
    int height;
};

class CatDog : public Dog, public Cat {
public:
    void setAge(int a) {
        age = a;   // 编译报错，无法确定要访问哪个Animal对象中的age成员
    }
};

在上面的代码中，CatDog同时继承自Dog和Cat，从而导致两个Animal对象在其中。在CatDog中定义了一个setAge函数，试图访问age成员变量，但是编译器无法确定要访问哪一个Animal对象的age成员，从而导致编译错误。

虚基类的多继承

为了避免上述情况的发生，我们可以使用虚基类。虚基类是一个可以被多个派生类共享的基类，在派生类中只会存在一个虚基类对象。这个对象由最终的派生类负责创建和管理。例如：

class Animal {
public:
    int age;
};

class Dog : public virtual Animal {
public:
    int weight;
};

class Cat : public virtual Animal {
public:
    int height;
};

class CatDog : public Dog, public Cat {
public:
    void setAge(int a) {
        age = a;   // 可以正常访问Animal中的age成员
    }
};

在上面的代码中，我们将Animal基类声明为虚基类，并用关键字virtual修饰Dog和Cat派生类。这样，在最终的派生类CatDog中，只会有一个Animal对象，从而避免了成员变量的二义性。在CatDog中定义的setAge函数可以正常访问Animal中的age成员。