一个C++多继承带来的游戏开发陷阱

class Actor : public EventedSprite, public Path_Finder { ... };

其中EventedSprite是引擎所提供的精灵类，它是游戏中可见对象的一个抽象类，用来处理一个游戏对象的动画和位置以及和地图的关系。Path_Finder就是我们的寻路类，我采用了继承关系来复用代码——这很合理，因为这个体系不复杂，功能组合也不多。我不打算给Path_Finder增加任何更深层的子类体系，它就是它——只处理寻路。（后来我感觉如果不需要后台计算，用对象组合的方式可能更合理）

很自然地，我开始把寻路类和后台计算联系起来。在我们的游戏平台上，系统提供了任务类（Task）对线程进行了封装，从而让后台计算拥有更好的抽象性。于是我设计了这些类：
class ConcurrentJob
{
public:
virtual void run() = 0;
};

class Path_Finder : public ConcurrentJob
{
public:
//...other declarations

virtual void run()
{
// perform pathfinding...
}

};

class My_Task : public Task
{
public:
void setJob( void* job ) { m_job = job; }
virtual void run()
{
  ConcurrentJob* job = static_cast<ConcurrentJob*>( m_job );
  job->run();
}
private:
void*  m_job;
};

ConcurrentJob是一个游戏的并发作业类，作为可进行后台计算类的一个基类。Path_Finder就是我们的寻路类，它继承自ConcurrentJob并实现了run方法，该方法会进行寻路，并在后台被调用。My_Task类继承自系统类Task，用来和ConcurrentJob配合使用，设置一个计算作业，然后在run中将它转换成一个ConcurrentJob并进行相应计算。My_Task作为Task的子类会被交给系统的后台运行队列。

你可能会问My_Task::m_job为什么是void*，而不是直接写成ConcurrentJob*，这样不就可以免去了My_Task::run中的casting了吗？是的，你说的没错。但有两点需要我这么做：

1）如果这么写，也就不会引出由于使用了多继承（MI）而带来的错误，这正是错误的直接来源。
2）实际上，在我们的系统中，My_Task和Task类并不是C++编写的，我使用了两种语言进行交叉编程，而那种语言在声明的时候无法识别C++写的类，因此只能使用void*。而这里的My_Task::run的实现其实也不应该写在声明这里，因为这也是该语言无法识别的。现在这么做（全部用C++写出来）只是为了方便阅读。

于是在进行寻路计算时，我编写了类似下面的启动代码：

My_Task* myTask = new My_Task;
Actor* actor = new Actor;
myTask->setJob( actor );
System_Task_Manager_Or_Something->addToOperationQueue( myTask );

我建立了一个My_Task实例，然后将一个Actor作为一个Path_Finder，也就是一个concurrent job加入到了task里面，然后交给系统在后台运行。这看起来没什么问题，直到我运行程序...

程序崩溃了！来自非主线程！断点在My_Task::run中，对调式器的提示进行了紧张分析后，我得到了结论：

ConcurrentJob* job = static_cast<ConcurrentJob*>( m_job );

的casting失败了，得到了非法的job指针，而后面使用了该非法指针。

为什么casting会失败呢？根据继承体系，一个Actor就是一个Path_Finder，而一个Path_Finder不就是一个ConcurrentJob吗？为什么把一个Actor*转换成一个ConcurrentJob*会失败呢？

追寻真相

经过对代码仔细地调试和研究一番之后，罪魁祸首终于被抓到——C++多继承（MI）机制带来的指针隐式调整！这种转换是编译器暗中完成的，转换本身对程序开发者是透明的，在一般情况下也不会影响程序。但我们的程序存在一个特殊性，从而导致了这个严重的错误。接下来，请先将上面的问题压入堆栈，让我慢慢地把这个问题的前因后果都告诉你。这需要一些C++对象模型的基本知识，不过请放心，需要知道的知识我都会包含进来。

单继承（Single Inheritance，SI）对象模型

考虑下面的这个类：

class A
{
public:
int m_a;
int m_b;
};

A a;

class object a在内存中的布局如下所示：

两个member data按照顺序排列，class object a的地址就是该内存空间的首地址。现在我们增加一个类：

class B : public A
{
public:
int m_c;
};

B b;
A* a = &b; // upcast
B* b2 = static_cast<B*>(a); // downcast

class object b在内存中的布局如下图：

先是A类的subobject内存布局，然后是B类的data member。C++标准保证“出现在派生类中的基类subobject保留其原样性不变”。因此无论class A的布局如何，都会完整地存在于class B的内存模型中，这主要考虑和C的兼容性。但有以下几点需要注意（请不要被下面3条所述细节困扰，如果实在不太清楚，可以略过，我们的重点在于SI的基础知识）：

1）class A的因内存alignment而产生的padding bytes也必须出现在B的class A subobject中，这确保了基类subobject的严格原样性。
2）对于具有virtual function的类体系，vptr的放置根据不同编译器会有两种方式：头部和尾部。对于放在头部的编译器，如果这里给B类增加一个virtual destructor，从而让A无virtual机制而让B有virtual机制，class object b的头部就是vptr而不是class A subobject了。但这不会影响指针的相同性。
3）如果B是virtual继承于A，则事情另有变数。用Stanley B. Lippman的话说“任何规则一旦遇到virtual base class，就没辙了”。这里我们不讨论这个题外话。

&b、a和b2所指向的都是b的首地址。因此，在SI模型下，对象内存采用重叠的模型，基类和任何的派生类的指针，都指向该对象的首地址，因此这些指针的地址值都是一样的——所有基类subobject都共享相同首地址。

也就是说，在一个继承体系内，不论你用什么样的方式对一个指向了某对象的指针进行downcast或upcast，指针的地址值都是一样的。再加一层体系如下：

class C : public B
{
public:
int m_d;
};

A、B、C这3个在同一体系下的类的指针无论怎样进行相互casting，得到的地址都一样。

多继承（Multiple Inheritance，MI）对象模型

MI机制是C++这门语言的特性之一，同时，也是复杂度的罪魁祸首之一！因为，在这里，编译器又背着我们做了一些事情，这也是C++饱受批评的主要原因。

请考虑下面的程序：

class A
{
public:
int m_a;
};

class B
{
public:
int m_b;
};

class C
{
public:
int m_c;
};

class D : public A, public B, public C
{
public:
int m_d;
};

A* a;
B* b;
C* c;
D d;
a = &d;
b = &d;
c = &d;

类关系如图所示：

这是一个最简单的MI体系，D继承自三个base class。我们再来看看它的内存模型：

可以看到，和SI不同的是，MI采用了非重叠模型——每个base class subobject都有自己的首地址。这里，A、B和C subobject各自占据它们自己的首地址，唯一的例外就是D object——也就是这个模型的拥有者，它的首地址和class A subobject是相同的。因此，我们说：

assert( a == &d );
assert( b != &d );
assert( c != &d );

“哎！等等！”，我听到了你在打断我，“我们在上面的程序中已经写明

b = &d;
c = &d;

这里为什么你会这么写：

assert( b != &d );
assert( c != &d );

你确定断言不会crash吗？”。如果你这么问我，我很高兴，这表明你在跟着我。下面是我通过试验得到的数据：

这就是问题的关键所在——编译器背着我们做了一件事情：this指针调整！在MI的世界里，this指针调整非常频繁，而这种调整，主要发生在派生类对象和“第二个以及后续的基类对象”（像咒语一样）之间的转换。在上面的例子里，“第二个以及后续的基类”就是类B和C。这个转换就是

b = &d; // upcast
c = &d; // upcast

this指针就是在这个时候被compiler调整的。b和c分别指向了正确的，属于它们各自的subobject的地址。同理，当我们将b和c转换成d指针的时候，this指针也会调整

D* d2 = static_cast<D*>(b); // downcast
D* d3 = static_cast<D*>(c); // downcast

结果是：

assert( d2 == &d );
assert( d3 == &d );

指针又被调整了回来。而这在SI的世界中是不会发生的（重叠模型）。

为什么要调整this指针呢？this指针调整的原因

补充：软件开发 , C++ ,