【C++】学习C++中的继承
✍作者：阿润菜菜
专栏：C++
我们一起来学习一下C++中的继承
- 1.继承概念及定义
-
- 1.1 概念
- 1.2 定义
-
- 1.2.1 格式
- 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的总结--- 记住会用
- 2.基类派生类对象赋值转换 --- 重点
- 3.继承中的作用域
- 4.关于派生类的默认成员函数
- 5.继承与静态成员的关系
- 6.多继承 --- 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
-
- 6.1菱形继承的问题及解决方式
- 6.2虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
- 7.继承和组合
- 总结
- 最后来三个问题：
1.继承概念及定义
1.1 概念
继承(inheritance)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，它允许程序员在保
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。以前我们接触的复用都是函数复用，继
承是类设计层次的复用
1.2 定义
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
// 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和Teacher复用了Person的成员。下面我们使用监视窗口查看Student和Teacher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。
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}
1.2.1 格式
这里Person是父类，也叫基类。Student是子类，也叫派生类。派生类以public的方式继承了父类。
那继承方式都有什么呢？他们都各自有什么特性？
1.2.2 继承关系和访问限定符
继承关系和访问限定符是C++中重要的概念，它们决定了基类和派生类之间的成员可见性和访问权限。
继承关系有三种，分别是public、protected和private，它们指定了派生类对基类成员的访问方式。
访问限定符也有三种，分别是public、protected和private，它们指定了类内成员的可见范围。
继承后基类成员的访问权限取决于继承关系和访问限定符的组合，一般来说，基类的private成员在派生类中不可见，而public和protected成员在派生类中的访问权限不会高于继承关系所指定的。
总览表：（比较复杂，我们只需要记住继承后的特性即可）
| 基类成员 | 继承关系 | 派生类内部 | 派生类外部 |
|---|---|---|---|
| public | public | public | public |
| public | protected | protected | private |
| public | private | private | private |
| protected | public | protected | private |
| protected | protected | protected | private |
| protected | private | private | private |
| private | public | 不可见 | 不可见 |
| private | protected | 不可见 | 不可见 |
| private | private | 不可见 | 不可见 |
其实这里派生类三种继承方式，继承关系就是小小取小
同时父类中定义：protected是防外人，private是防儿子
class 默认私有继承 struct默认公有继承
继承大致分为两类 — 基类私有继承 和 基类公有保护继承,实际上一般都用公有继承:
下面是总结特性：
1.2.3 继承基类成员访问方式的变化的总结— 记住会用
总结：
- 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。
- 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。
- 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。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。
- 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。
- 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.基类派生类对象赋值转换 — 重点
- 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。
- 基类对象不能赋值给派生类对象。形象地说就是父类不能给子类成员不够，满足不了儿子。 （只有一种特殊情况可以，父类的指针）
- 基类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或者引用。但是必须是基类的指针是指向派生类对象时才是安全的。这里基类如果是多态类型，可以使用RTTI(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。
我们知道隐式类型转换会产生临时变量赋值；而对象赋值转换不会产生临时对象
测试代码：
class Person
{
protected :
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public :
int _No ; // 学号
};
void Test ()
{
Student sobj ;
// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person pobj = sobj ;
Person* pp = &sobj;
Person& rp = sobj;
//2.基类对象不能赋值给派生类对象
sobj = pobj;
// 3.基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针
pp = &sobj
Student* ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的。
ps1->_No = 10;
pp = &pobj;
Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问题
ps2->_No = 10;
}
引用赋值转换：只是子类中父类那一部分的别名 — 切片
指针形式：也是切片
3.继承中的作用域
不同的作用域能不能定义同名的变量吗？ 可以，我们知道在同一个作用域中不能出现两个名字相同的变量，否则会产生命名冲突；但是在不同的作用域中，允许出现名字相同的变量，它们的作用范围不同，彼此之间不会产生冲突。
那如果如果子类定义了与父类同名变量或者成员函数呢？答案是：子类会优先访问自己类定义的变量，或者成员函数，这种情况叫做隐藏 — 就想访问父类的怎么办？指定作用域就可以了
- 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，子类成员将屏蔽父类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏，
也叫重定义。（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。
- 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
// 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。
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
A::fun();
cout << "func(int i)->" <<i<<endl;
}
};
void Test()
{
B b;
b.fun(10);
};
如果是成员函数，函数名相同就构成隐藏了! 未来访问很蛮烦，所以不要定义同名成员函数！
4.关于派生类的默认成员函数
6个默认成员函数，“默认”的意思就是指我们不写，编译器会变我们自动生成一个，那么在派生类
中，这几个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。
- 派生类的operator= 必须要调用基类的operator= 完成基类的复制。
- 派生类的析构函数会在被调用完成后自动调用基类的析构函数清理基类成员。因为这样才能保证派生类对象先清理派生类成员再清理基类成员的顺序。
- 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
- 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
- 因为后续一些场景析构函数需要构成重写，重写的条件之一是函数名相同。那么编译器会对析构函名进行特殊处理，处理成destrutor()（也就是说在底层析构函数名都是一样的），所以父类析构函数不加virtual的情况下，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。
测试代码：
class Person
{
public :
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
};
class Student : public Person
{
public :
Student(const char* name, int num)
: Person(name )
, _num(num )
{
cout<<"Student()" <<endl;
}
Student(const Student& s)
: Person(s)
, _num(s ._num)
{
cout<<"Student(const Student& s)" <<endl ;
}
Student& operator = (const Student& s )
{
cout<<"Student& operator= (const Student& s)"<< endl;
if (this != &s)
{
Person::operator =(s);
_num = s ._num;
}
return *this ;
}
~Student()
{
cout<<"~Student()" <<endl;
}
protected :
int _num ; //学号
};
void Test ()
{
Student s1 ("jack", 18);
Student s2 (s1);
Student s3 ("rose", 17);
s1 = s3 ;
}
所以，派生类和父类的成员函数分的很清，自己干自己的，父类处理父类的！你不写就默认调用父类的，你写了也要用父类的构造函数
赋值转换：其实就是调用了父类的拷贝构造
注意上面的operator = 与父类构成隐藏了，怎么解决？ 加域作用限定符！
结果：
析构我们不需要显示调用 (析构函数还涉及多态问题destructor（）），因为涉及析构顺序问题，所以我们不需要显示调用 — 我们不能保证先析构子类后析构父类的顺序
5.继承与静态成员的关系
** 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 。
注意静态成员变量的继承和普通成员变量的继承是不一样的！ 子父类共享 static成员
如果我们在父类中添加一个static int _count 成员变量，那么结果会是下面这样：
静态成员变量子父类共享，所以打印出的地址是一样的
测试代码：
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 ;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
Student ::_count = 0;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}
那么问题来了如何计算创建了多少个类 ？就是用这个静态变量加到父类构造函数里
如何实现一个不能被继承的类？ 把父类的构造函数搞成私有的！那么子类就不能初识化了！继而父类不能被继承了
6.多继承 — 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
6.1菱形继承的问题及解决方式
先来看看图解
单继承：一个子类只有一个直接父类时称这个继承关系为单继承
多继承：一个子类有两个或以上直接父类时称这个继承关系为多继承
菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。
菱形继承的问题：从下面的对象成员模型构造，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。
在Assistant的对象中Person成员会有两份。
测试代码：
class Person
{
public :
string _name ; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected :
int _num ; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected :
int _id ; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected :
string _majorCourse ; // 主修课程
};
void Test ()
{
// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
Assistant a ;
a._name = "peter";
// 需要显示指定访问哪个父类的成员可以解决二义性问题，但是数据冗余问题无法解决
a.Student::_name = "xxx";
a.Teacher::_name = "yyy";
}
二义性可以用空间域作用符解决，但想一想当你需要一个特定ID的时候怎么办?数据冗余的本质 ： 就是空间浪费，显然不符合C嘎嘎的风范 ---- C++ 3.0开始填坑 解决菱形继承问题 — 采用虚继承
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。
class Person
{
public :
string _name ; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
protected :
int _num ; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
protected :
int _id ; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected :
string _majorCourse ; // 主修课程
};
void Test ()
{
Assistant a ;
a._name = "peter";
}
6.2虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
我们借助内存窗口观察对象成员的模型
测试代码：
class A
{
public:
int _a;
};
// class B : public A
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
// class C : public A
class C : virtual public A
{
public:
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
int _d;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
编译器的内存观测窗口不一定是真实的！所以我们从内存观察！更底层和真实
这是未采用虚继承的结果：
可以看到成员变量_a内存中产生了两份数据冗余了，而虚继承可以解决解决数据冗余和二义性 ：
这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，那么B和C如何去找到公共的A呢？这里是通过了B和C的两个指针，指向的一张表。这两个指针叫虚基表指针，这两个表叫虚基表。虚基表中存的偏移量。通过偏移量可以找到下面的A。
为什么第一行为空？ 后续的多态会有解释
下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：
关于虚继承的经典面试题
答案是构造顺序 — A Ｂ Ｃ Ｄ
关于继承的构造顺序一定是先构造基类，虽然声明列表的顺序是先初始化Ｃ
总结：不要使用菱形继承
7.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。 - 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 - 优先使用对象组合，而不是类继承 。
- 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
示例代码：
// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
class Car{
protected:
string _colour = "白色"; // 颜色
string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
};
class BMW : public Car{
public:
void Drive() {cout << "好开-操控" << endl;}
};
class Benz : public Car{
public:
void Drive() {cout << "好坐-舒适" << endl;}
};
// Tire和Car构成has-a的关系
class Tire{
protected:
string _brand = "Michelin"; // 品牌
size_t _size = 17; // 尺寸
};
class Car{
protected:
string _colour = "白色"; // 颜色
string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
Tire _t; // 轮胎
};
总结
- 很多人说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就存在菱形继承，有了菱形继承就有菱形虚拟继承，底层实现就很复杂。所以一般不建议设计出多继承，一定不要设计出菱形继承。否则在复杂度及性能上都有问题。
- 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承，如Java。
3.优先使用对象组合，而不是类继承 继承的耦合度更高一些 －－－ 解耦就是用组合关系更好一些
最后来三个问题：
1.什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
2.什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
3.继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
- 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
菱形继承是指一个子类多继承两个父类，而这两个父类又同时继承于同一个祖父类，从而形成一个菱形的结构。例如：
class A {
// 祖父类
};
class B : public A {
// 父类1
};
class C : public A {
// 父类2
};
class D : public B, public C {
// 子类
};
菱形继承的问题是，子类会继承两个父类的成员，但两个父类同时继承了祖父类，所以在子类中会有两份祖父类的成员，这就造成了数据冗余和二义性。数据冗余是指子类占用了不必要的空间，浪费了内存资源；二义性是指子类访问祖父类的成员时，需要通过域运算符（::）进行区分，否则编译器无法判断使用哪个父类的成员。
- 什么是虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的问题？
虚拟继承是指在声明派生类时，使用关键字virtual指定继承方式，从而使得间接继承共同基类时只保留一份基类成员。例如：
- List item
class A {
// 祖父类
};
class B : virtual public A {
// 父类1
};
class C : virtual public A {
// 父类2
};
class D : public B, public C {
// 子类
};
虚拟继承可以解决数据冗余和二义性的问题，因为它使得子类只有一份祖父类的成员，而不是两份。这样就节省了空间，并且可以直接通过子类访问祖父类的成员，而不需要域运算符。
- 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
继承和组合都是面向对象编程中实现代码复用和抽象的方法。继承是指一个类（子类）可以从另一个类（父类）获得其属性和方法，并且可以对其进行修改或扩展；组合是指一个类（整体）可以包含另一个类（部分）的对象作为其属性，并且可以调用其方法。
继承和组合有各自的优缺点。继承可以实现代码复用和多态性，但也可能导致耦合度过高、层次过深、修改困难等问题；组合可以实现更灵活和松耦合的设计，但也可能导致代码冗余和管理复杂等问题。
一般来说，如果两个类之间存在“是一种”（is-a）的关系，那么可以使用继承；如果两个类之间存在“有一个”（has-a）或“包含(contains）的关系，那么可以使用组合。例如，汽车是一种交通工具，所以汽车类可以继承交通工具类；汽车有一个引擎，所以汽车类可以包含引擎类的对象作为属性。
当然，这些只是一些基本的原则，并不是绝对的。在实际的设计中，需要根据具体的需求和场景来选择合适的方法。有时候，继承和组合也可以结合使用，以达到最佳的效果。
