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什么时候需要使用虚继承，什么是菱形继承

news 2025/9/6 11:03:02

在阅读ROS的源码的时候，遇到了这样的一个地方:

/** \brief %Controller with a specific hardware interface** \tparam T The hardware interface type used by this controller. This enforces* semantic compatibility between the controller and the hardware it's meant to* control.*/
template <class T>
class Controller: public virtual ControllerBase
{
public:

这个里面继承类有一个virtual关键字，这个virtual关键字的作用是什么呢，什么时候会需要这样的一个virtual关键字呢，本篇文章将回答这些问题:

背景

在 ROS 控制框架（尤其是 ros_control）中，控制器类通常会继承多个基类，这些基类可能最终都继承自同一个公共基类（例如 ControllerBase）。这就会遇到菱形继承（diamond inheritance） 的问题。

普通继承下的问题

假设有以下继承关系：

ControllerBase^         ^|         |
ControllerA  ControllerB\     /\   /MyController

如果 ControllerA 和 ControllerB 都是普通继承 ControllerBase：

class ControllerA : public ControllerBase { ... };
class ControllerB : public ControllerBase { ... };class MyController : public ControllerA, public ControllerB { ... };

那么 MyController 内部会有两份 ControllerBase 子对象，这会带来：

二义性访问：MyController 中访问 ControllerBase 成员时编译器会报错（不知道选哪一份）。
多份数据冗余：ControllerBase 的状态被复制两份，很可能导致逻辑混乱。

虚拟继承（`virtual`）的作用

虚拟继承的目的是在多重继承场景下，让所有派生类共享一份公共基类实例，避免菱形继承中的重复子对象。

如果这样改：

class ControllerA : public virtual ControllerBase { ... };
class ControllerB : public virtual ControllerBase { ... };class MyController : public ControllerA, public ControllerB { ... };

那么不管你通过 ControllerA 还是通过 ControllerB 去访问 ControllerBase，都会访问到同一份实例，不会重复创建。

回到你的例子

ros_control 框架中，Controller 模板类是所有具体控制器的一个中间基类，它通常可能和其他基类（比如插件接口、硬件接口适配器等）一起被多重继承，并且这些基类的共同祖先是 ControllerBase。

如果 Controller 不使用 virtual 继承 ControllerBase，一旦你有另外一个基类也继承了 ControllerBase，那么最终你的实际控制器类就会陷入菱形继承问题。

因此，设计者直接在 Controller 这里用 public virtual ControllerBase 来预防将来在多重继承中出现菱形继承的问题。

总结

virtual 在这里的作用是：

解决/预防菱形继承 导致的重复基类子对象问题。
保证唯一性：所有继承链里只保留一份 ControllerBase 成员。
提高兼容性与健壮性：即使未来添加新的中间类，也不会造成二义性访问。

✅ 一句话总结
因为 ros_control 框架的控制器体系存在多重继承的可能性，Controller 类用 virtual 继承 ControllerBase 是为了让最终派生类只保留一份 ControllerBase 实例，避免菱形继承带来的二义性与数据重复。

那为什么不所有的继承都使用虚拟继承呢?

这个问题很关键，很多人第一次学 virtual inheritance 的时候也会想——既然解决了菱形继承的问题，那干脆所有继承都写成虚拟继承是不是更安全？
答案是：不应该所有继承都用虚拟继承，原因主要有四点。

1. 虚拟继承有额外开销（复杂度 + 性能）

普通继承时，基类子对象位置在编译期固定在派生类对象的内存布局中，访问基类成员只需要固定偏移量。
虚拟继承为了支持“唯一基类”，编译器会引入 虚基表（vbase table） 来在运行时计算基类子对象真实位置。
结果：
- 内存布局更复杂，访问虚基类成员速度可能略慢（需要多一次指针间接跳转）。
- 对象大小一般会增加（多一个指向虚基表的指针）。

2. 虚拟继承降低可读性和直观性

普通继承：构造函数按照继承链自动初始化基类对象。
虚拟继承：
- 最终派生类 必须负责虚基类的初始化，即使中间基类也定义了初始化逻辑，这会让初始化代码更分散。
- 容易让新手迷惑“这个基类的构造为什么不能在中间类里调用生效？”

例如：

struct A {A(int x) { ... }
};
struct B : virtual A {B() : A(1) {} // 这里并不会真正构造 A
};
struct C : virtual A {};
struct D : B, C {D() : A(42) {} // 最终派生类必须管理 A 的构造
};