C++ 中的继承

1 什么是继承

1.1 继承的概念

• 继承机制是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段，这个机制允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加功能，这样产生新的类，称为派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构，体现了由简单到复杂的认知过程。以前解除的都是函数复用，继承是类设计层次的复用。

代码演示如下

#include 
#include 

using namespace std;

class Person
{
     
public:
	void Print()
	{
     
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
     
protected:
	int _stuid;
};
int main()
{
     
	Person p;
	Student s;
	p.Print();
	s.Print();
	return 0;
}

• 继承后父类的Person的成员（成员函数+成员变量）都会变成子类的一部分。这里体现出了Student复用了Person的成员。下面我们使用监视窗口查看Student对象，可以看到变量的复用。调用Print可以看到成员函数的复用。

成员变量的复用
成员函数的复用

1.2 继承的定义

1.2.1 定义格式

Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。

1.2.2 继承关系和访问限定符

1.2.3 继承基类成员访问方式的变化

注意（重点）

1. 基类 private 成员在派生类中无论以什么方式继承都是不可见的。这里的不可见是指基类的私有成员还是被继承到了派生类对象中，但是语法上限制派生类对象不管在类里面还是类外面都不能去访问它。
2. 基类 private 成员在派生类中是不能被访问，如果基类成员不想在类外直接被访问，但需要在派生类中能访问，就定义为protected。可以看出保护成员限定符是因继承才出现的。
3. 实际上面的表格我们进行一下总结会发现：基类的私有成员在子类都是不可见的。基类的其他成员在子类的访问方式 = Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public > protected > private。
4. 使用关键字class时默认的继承方式是private，使用struct时默认的继承方式是public，不过最好显示的写出继承方式。
5. 在实际运用中一般使用都是public继承，几乎很少使用protetced/private继承，也不提倡使用protetced/private继承，因为protetced/private 继承下来的成员都只能在派生类的类里面使用，实际中扩展维护性不强。

2 基类(父类)对象和派生类(子类)对象之间的赋值转换

• is a 的关系：一个子类是一个父类，比如，一个学生是一个人
• 派生类对象 可以赋值给 基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用。这里有个形象的说法叫切片或者切割。寓意把派生类中父类那部分切来赋值过去（重点掌握），代码演示如下。

#include 
#include 
using namespace std;

class Person
{
     
public:
	    // 缺省
		string _name = "陈志浩"; // 姓名
		string _sex = "男"; // 性别
		int _age = 25; // 年龄
};
class Student : public Person
{
     
public:
	int _No = 2019124084; // 学号
};

void Test()
{
     
	Person pobj;
	Student sobj;
	// 修改子类的成员变量方便演示
	sobj._name = "chenzhiiao";
	sobj._age = 23;
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

• 基类对象不能赋值给派生类对象

• 指向基类的指针可以指向子类，并且可以强制转换为子类指针，引用同理也是可以的，这里有点诡异，其实也可以这样理解：这里指针指向的地址是一样的，只不过类型限制了可以看哪些部分，所以再强制转换回子类指针才不会出错。
  
  
• 上面这些类型转换都必须是在公有继承的前提下的。

3 继承中的作用域

• 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域
• 子类和父类中有同名成员，子类成员将屏蔽对父类的同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏，也叫重定义。注意不叫重载也不叫重写，重载要在同一个作用域才可以。（在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问）
• 需要注意的是如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏，即使形参列表和函数体不同也是构成隐藏的哦。
• 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

来上代码

#include 
using namespace std;

class A {
     
public:
	void fun()
	{
     
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A {
     
public:
	void fun(int i)
	{
     
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};
void Test()
{
     
	// B中的fun和A中的fun不是构成重载，因为不是在同一作用域
	// B中的fun和A中的fun构成隐藏，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。
	B b;
	b.fun(10);
	b.A::fun();//可以使用 基类::基类成员 显示访问
};
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

4 派生类(子类)的默认成员函数

派生类的6个默认成员函数，默认就是我们不写但是会自己生成，那么这4（只关注 构造、拷贝构造、析构、赋值重载）个默认成员函数是如何生成的呢？

• 派生类的构造函数必须调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员。如果基类没有默认的构造函数，则必须在派生类构造函数的初始化列表阶段显示调用，派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class Person
{
     
public:
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Person& p);
	Person(const char* name = "peter")
		: _name(name)
	{
     
		cout << "Person()" << endl;
	}

	Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
     
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}

	Person& operator=(const Person& p)
	{
     
		cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;

		return *this;
	}

	~Person()
	{
     
		cout << "~Person()" << endl;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
};
ostream& operator<<(ostream& out, const Person& p)
{
     
	out << "name : " << p._name << endl;
	return out;
}
class Student : public Person{
     
public:
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Student& s);
	Student(const char* name = "chenzhiao", int no = 2019)
		:Person(name)
		,_no(no)
	{
     
		cout << "Student()" << endl;
	}
	
	~Student()
	{
     
		cout << "~Student()" << endl;
	}

protected:
	int _no;
};
ostream& operator<<(ostream& out, const Student& s)
{
     
	out << "name : " << s._name << ",no : " << s._no << endl;
	return out;
}

void Test()
{
     
	Student s1;	
	cout << s1;
};
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

• 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成基类的拷贝初始化，下面代码中的 Person(s) 有切片行为。

Student(const Student& s)
		: Person(s), _no(s._no)
	{
     
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}

• 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。

Student& operator=(const Student& s)
	{
     
		if (this != &s)
		{
     
			Person::operator=(s); 
			//这里必须要用类名指定，否则子类的operator=会把父类的
			//的operator=隐藏掉，导致无限递归调用子类的operator=导致栈溢出
			_no = s._no;
		}
		return *this;
	}

• 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构，这里 c++ 的编译器就保证了先调用子类的析构再调用父类的析构。
  有两个迷惑点：1、子类的析构函数和父类的析构函数构成 隐藏，这是因为多态重写的需要（下一篇文章我会拉出来再谈一下），所有类的析构函数，名字会被统一处理成 destructor 2 、 如果自己显示调用，存在父类会析构的问题，不符合先定义后析构的规则

~Student()
	{
     
		cout << "~Student()" << endl;
		Person::~Person(); 
		//C++的编译器保证了这个代码默认会执行，但是必须要放在最后一行才符合规则
		//不能让程序员去手动指定Person::~Person();必须要放在最后一行
		//万一程序员不小心放在了第一行，会导致一些不可预料的错误，所以不要显示调用
		//这和上面3个默认成员的规则不一样，需要多注意
	}

• 最后补上一张图，有助于理解

5 继承与友元

• 友元关系不能继承，也即是说：基类友元不能访问子类私有和保护成员

6 继承与静态成员

• 基类定义了 static 静态成员，则整个继承体系里面只有一个这样的成员，无论派生出多少个子类，都只有一个 static 成员实例

来段代码

#include 
#include 
using namespace std;

class Person
{
     
public:
	Person() {
      ++_count; }
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
     
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
class Graduate : public Student
{
     
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
     
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	Person s5;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}
int main()
{
     
	TestPerson();
	return 0;
}

7 复杂的菱形继承以及菱形虚拟继承

7.1 单继承

• 一个子类只有一个直接父类，这种继承关系叫做单继承
  

7.2 多继承

• 一个子类有两个或者两个以上的父类叫做多继承

7.3 菱形继承

• 菱形继承是多继承的一种特殊情况

7.3.1 菱形继承的问题

• 菱形继承存在很大的问题，从上面的对象模型图里可以得出：菱形继承有数据冗余和数据二义性的问题，在Assistant 的对象里 Person 成员有两份

#include 
#include 
using namespace std;

class Person{
     
public:
	string _name;
};
class Student : public Person{
     
protected:
	int _stuId;
};
class Teacher : public Person{
     
protected:
	int _teaId;
};
class Assistant : public Student, public Teacher{
     
protected:
	string _majorCourse;
};
void Test()
{
     

	Assistant a;
	//a._name = "chenzhiao"; 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个

	// 需要显式指定访问哪个父类的成员可以解决二义性的问题，但是数据冗余的问题还是无法解决

	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
	
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

7.3.2 如何解决

• 虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承，Person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用，改进上面的代码。

#include 
#include 
using namespace std;

class Person{
     
public:
	string _name;
};
class Student : virtual public Person{
     
protected:
	int _stuId;
};
class Teacher : virtual public Person{
     
protected:
	int _teaId;
};
class Assistant : public Student, public Teacher{
     
protected:
	string _majorCourse;
};
void Test()
{
     

	Assistant a;
	a._name = "chenzhiao";
	
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}
// 在菱形继承的“肩膀处”添加完 virtual 关键字，完成虚拟继承，可以解决数据的二义性和冗余问题。我们来看一下监视窗口

7.3.3 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

• 为了研究虚拟继承原理，我们给出了一个简化的菱形继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型。

#include 
#include 
using namespace std;

class A {
     
public:
	int _a;
};
// class B : public A
class B : public A {
     
public:
	int _b;
};
// class C : public A
class C : public A {
     
public:
	int _c;
};
class D : public B, public C {
     
public:
	int _d;
};

void Test()
{
     
	D d;
	cout << sizeof(d) << "字节" << endl;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

下图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型

• 可以分析出 D对象中将 A 放在了对象组成的最下面，这个 A 同时属于 B 和 C，那么 B 和 C 如何找到公共的 A 呢？这里是通过了 B 和 C 的虚基表指针，这两个指针指向了虚基表，**虚基表存的是当前位置距离 虚基类对象（A）的偏移量，通过偏移量找到A。尤其是发生切片行为的时候，比如 B& b = d，这个偏移量会帮助 b 找到自己的a，完成切片行为。注意：菱形虚拟继承的效率并不高，因为这一顿操作可想而知，所以尽量不要定义菱形虚拟继承，这也是 C++ 语法设计的几个大 bug。 **
• 下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：
  

8 继承的扩展和总结

• 多继承就是C++语法复杂的体现，有了多继承就有了菱形继承，有了菱形继承就有了菱形虚拟继承，底层实现就很复杂，所以不建议设计多进程，更不要设计出菱形继承。否则在复杂度及性能上都有问题。
• 可以认为多继承就是 C++ 的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承，如Java。

8.1 继承和组合

• public继承是一种is-a的关系。也就是说每个派生类对象都是一个基类对象，比如 狗是一种动物
• 组合是一种has-a的关系。假设B组合了A，每个B对象中都有一个A对象。
• 继承允许你根据基类的实现来定义派生类的实现。这种通过生成派生类的复用通常被称为白箱复用，(white-box reuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对子类可见 。继承一定程度破坏了基类的封装，基类的改变，对派生类有很大的影响。派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度高。
• 对象组合是类继承之外的另一种复用选择。新的更复杂的功能可以通过组装或组合对象来获得。对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。这种复用风格被称为黑箱复用(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可见的。对象只以“黑箱”的形式出现。 组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低。优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装。
• 实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有些关系就适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。