【C++进阶之路】继承篇

前言

前面我们讲过面向对象的第一大特性——封装，接着我们要面对的就是第二大特性——继承，那继承是啥呢？从功能的角度来说，就是复用。
比如：我们都有人的特性（性别，外貌，身份证号），那在社会上，我们可能还是学生、老师、工人等具有身份意义的信息，那如果在描述学生时，我们还需要把人的特性描述一遍，那未免有点太繁琐了，因此，学生，老师，工人就可以复用人的特性信息，再此基础上再添加对应身份特有的信息即可。

一、概念

前面我们通过举例，能够简单理解继承，下面我们来说一下，具体的定义：

• 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。
• 继承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。
• 继承是类设计层次的复用。

接下来我们从空间的角度来谈一下继承，一个对象具体划分，可以分为：

1. 成员函数——常量区
2. 非静态成员变量——取决于类实例化的作用域（全局：静态区，局部：栈区）
3. 静态的成员变量——静态区

如何验证空间上的继承呢？我们先讲继承的用法，之后会证明。

---

下面我们从权限的角度来理解，如何定义一个继承类：

• 继承方式有三种——公有继承（最常用），保护继承和私有继承（不常用）。
• 说明：如果继承方式不写，默认为私有继承。

那继承方式有什么用呢？一张表即可说明：

总结：

• 不管什么继承，基类的private成员在派生类中不可见。
• 继承方式，按访问权限小的进行继承，比如基类的public成员，采用protected继承，按权限小的继承，继承之后，基类的public成员是派生类的protected成员。
• 不写继承方式，默认为私有继承。

protected成员与private成员区别：基类的protect成员在继承之后还能通过派生类在类里进行使用，而private则无法访问。

此时我们再来完成上面的证明：

代码：

class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "A::func()"<<endl;
	}
	int _a = 1;
	static int _c;
};

int A::_c = -1;
class B : public A
{

public:
	int _b = 0;
};
int main()
{
	A a;
	B b;
	//成员函数
	a.func();
	b.func();
	cout << endl;

	//非静态的成员变量
	cout << &a._a << endl;
	cout << &b._a << endl << endl;

	//静态的成员变量
	cout << &a._c << endl;
	cout << &b._c << endl;

	return 0;
}

• 调试查看反汇编的函数地址：
  
  结论：调用的是用一个函数，因此成员函数继承的是使用权。

再来运行代码：

• 结论：非静态成员变量继承的是一份成员变量的拷贝。静态成员变量继承的是使用权。

---

总结：

成员函数和静态成员变量继承的是使用权。非静态成员变量继承的是一份成员变量的拷贝。

二、性质

1.赋值转换

在讲赋值转换之前，我们得先来搞懂，继承的引用和指针的用法。

class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "A::func()"<<endl;
	}
	int _a = 1;
	static int _c;
};

int A::_c = -1;
class B : public A
{

public:
	int _b = 0;
};
int main()
{
	B b;

	int i = 0;
	int& ri = i;
	const double& di = i;

	A& rb = b;
	A* rptr = &b;

	return 0;
}

我们之前讲过，不同类型的引用中间会生成临时变量，而临时变量具有常属性，因此这里的i转换为double中间会生成临时变量，因此需要加上const。

但是继承之后的类转换为基类，不会生成临时变量，因此没有加上const。这种现象被称之为向上转换，也就是能子类向父类进行转换。

原理：

• 相当于是权限的缩小，也就是切割。

拓展：

一个指向派生类的基类指针可以通过安全转换，来转换为子类的指针，从而达成向上转换。

class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "A::func()"<<endl;
	}
	int _a = 1;
	static int _c;
};

int A::_c = -1;
class B : public A
{

public:
	int _b = 0;
};
int main()
{
	B b;
	A* rptr = &b;
	B* rrptr = static_cast <B*>(rptr);
	//B* rrptr = dynamic_cast (rptr);
	//这个是虚函数才能使用的(多态会将)。
	return 0;
}

• 说明：能进行引用和指针进行转换的前提是public继承，否则无法转换。

明白了这些，赋值转换就不难理解了。

class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "A::func()"<<endl;
	}
	int _a = 1;
	static int _c;
};
int A::_c = -1;
class B : public A
{

public:
	int _b = 0;
};
int main()
{
	B b;
	A a;
	a = b;
	//编译器生成的为 A & A::operator = (const A &);
	
	//b = a;报错，因此引用支持向下转换，不支持向上转换。
	//且无法进行强制类型转换。
	return 0;
}

• 赋值转换也就是用了引用的语法，对子类进行切割。

2.作用域——隐藏/重定义

为了理解作用域的性质，我列出一段代码便于理解：

class  Person
{
public:
	int func(int i)
	{
		cout << "Person::func" << endl;
	}

	int _num = 0;

};

class Student : public Person
{
public:
	void func()
	{
		cout << "Student::func" << endl;
		cout << _num << endl;
	}
	int _num = 1;
};

int main()
{
	Student stu;
	stu._num = -1;
	stu.func();
	//stu.func(1);
	return 0;
}

代码的运行结果为：

• 为啥不会报错呢？
• 结果为啥是这样呢？
• 这里的func构成重载吗？
• 将注释的代码放开，会产生什么结果？为什么？

我们首先要明白作用域是编译器查找的范围，而作用域包括局部域，全局域，命名空间域，类域，作用域限定符的作用是指定在某个域里面查找，否则就报错。

然后我们再来说明这里为啥不会报错，因为继承下来的东西，并不在一个类域里面，又因为不同类域是独立存在的，因此互相会产生屏蔽左右，那么我们一般称由命名相同产生屏蔽的现象，称为隐藏或者重定义。

明白这两个概念，我们再来分析第二个问题，首先对_num赋值-1，先在Studen的类域进行查找，如果找到就停止，很显然这里是对Student的_num进行赋值，然后调用func函数，同理，先对Student进行查找，如果找到就停止，这里找到了，调用的是Student里的func函数，最后查找_num,首先再当前局部域查找，如果没有就在当前类域进行查找，如果还没有就在基类的类域进行查找，如果还没有就在全局域进行查找，如果还找不到就报错。很显然这里是到当前类域就找到了，因此是Student的类域里的_num。

有了隐藏/重定义的概念，这里的func显然是不构成重载的，因为重载要求在同一个类域！

最后将注释的代码放开，会产生编译报错的结果，因为编译器很懒，它找到就不再找了，所以这里查找的还是Student的func。

3.默认成员函数

①构造函数

class A
{
public:
	A()
		:_a(1)
	{}
int _a;
};
class B : public A
{
public:
	B()
		:_b(0)
	{}
int _b;
};
int main()
{
	B a;
	return 0;
}

调试 f11逐语句运行：

• 不难看出，在调用子类的构造函数时，先调用了父类的构造函数，构造派生类的成员，然后再调用子类的构造函数，对子类成员进行构造。

为啥要这样设计呢？
个人理解：总不能一个人干两份活吧？你干你的，我干我的，这样分工比较明确，至于先后顺序，可能是因为子类的成员可能会用父类成员的一些值初始化。

说明一点：如果子类的初始化列表，没有显示调用父类的构造函数，则调用默认构造函数，如果没有，则报错，这也说明了如果父类没有默认构造，要在子类显示的调用父类的构造函数。

举例：

class A
{
public:
	A(int val)
		:_a(val)
	{}
int _a;
};
class B : public A
{
public:
	B()
		:_b(0)
		,A(1)
	{}
int _b;
};
int main()
{
	B a;
	return 0;
}

• 强调一点，初始化的顺序与初始化列表的顺序无关，这里构造函数先调用初始化列表中的A的构造函数，再走子类的初始化列表。

②拷贝构造

class Person
{
public:

	Person(const char* name = "张三", int age = 18)
	{
		_name = name;
		_age = age;
	}
	Person(const Person& per)
	{
		_name = per._name;
		_age =  per._age;
	}
private:
	string _name;
	int  _age;
};

class Student :public Person
{
public:
	Student(const char* name = "张三", int age = 18,int id = 12345)
		:Person(name,age)
		,_id(id)

	{
		_id = id;
	}
	Student(const Student& stu)
		:Person(stu)
	{
		_id = stu._id;
	}
private:
	int _id;
};

int main()
{
	
	Student stu2("李四",19,8888);
	Student stu1 = stu2;
	return 0;
}

• 拷贝构造跟构造函数的区别不大，这里在实现过程中，尤其是子类的拷贝构造在显示地调用父类的构造函数时，会发生向下转换（引用），这里很关键！

• 另外强调一点，如果不显示调用拷贝构造，会调用默认构造函数，但这样可能不会完成拷贝的效果，如果没有默认构造会报错！

最后总结：构造函数的调用顺序先父后子。

③析构函数

class A
{
public:
	~A()
	{}
};
class B : public A
{
public:
	~B()
	{}
};
int main()
{
	B b;
	return 0;
}

调试运行：

• 不难看出，析构子类，先调用子类的析构函数，再调用父类的析构函数。

思考一下为啥会这样？

这就跟构造函数有点关系了，我们构造的时候，提过先构造父类的成员变量，再构造子类的成员变量，这样是为了增加子类的信息灵活度，可以让子类的成员跟父类沾上边，如果沾上边的话，析构如果先析构父类，那子类跟父类沾上边的成员的数据就失效无法使用，如果在子类的析构中再进行使用，那么可能就会产生越界等危险行为，因此先析构子类的成员，再析构父类的成员就显得必要了。

④赋值重载

• 现代写法

class A
{
public:
	A(int a = 0, int b = 0)
		: _a(a)
		, _b(b)
	{}
	void swap(const A& a)
	{
		_a = a._a;
		_b = a._b;
	}
	A& operator = (A a)
	{
		swap(a);
		return *this;
	}
private:
	int _a;
	int _b;

};
class B : public A
{
public:
	B(int a = 0, int b = 0, int c = 0, int d = 0)
		:A(a,b)
		,_c(c)
		,_d(d)
	{}
	void swap(const B& b)
	{
		A::swap(b);
		_c = b._c;
		_d = b._d;
	}
	B& operator =(B b)
	{
		swap(b);
		return *this;
	}
	int _c;
	int _d;
};
int main()
{
	B b1(1,2,3,4);
	B b2(4,3,2,1);
	b1 = b2;
	return 0;
}

• 普通写法

class A
{
public:
	A(int a = 0, int b = 0)
		:_a(a)
		, _b(b)
	{}
	A& operator = (const A& a)
	{
		if (this != &a)
		{
			_a = a._a;
			_a = a._b;
		}
		return *this;
	}
private:
	int _a;
	int _b;

};
class B : public A
{
public:
	B(int a = 0, int b = 0, int c = 0, int d = 0)
		:A(a,b)
		,_c(c)
		,_d(d)
	{}
	B& operator =(const B& b)
	{
		if (this != &b)
		{
			//因为基类的私有成员，在派生类中不可见，所以我们需要调用基类的赋值进行拷贝。
			A::operator =(b);
			_c = b._c;
			_d = b._d;
		}
		return *this;
	}
	int _c;
	int _d;
};

• 继承多的就是重定义+向上转换

4.友元函数

C++11 标准不允许友元函数的声明有默认参数，除非友元声明是一个定义
个人理解：为了防止不合适参数，如还未被定义的类的匿名对象，可能直接报错。

class B;
class A
{
	friend void func(const A& a,  const B& b);
public:

private:
	int _a = 1;
};

class B :public A
{
public:

private:
	int _b = 2;
};
void func(const A& a, const B& b = B())
{
	cout << a._a << endl;
	cout << b._a << endl;
	//cout << b._b << endl;
}
int main()
{
	B b;
	func(b,b);
	return 0;
}

代码结果：

将注释的代码放开：

• 结论：友元类是无法被子类继承的，友元是仅限于突破父类作用域，也就是说，友元函数可以访问子类中的父类，也就是作用域在父类中，而子类的作用域则无法访问。

总结：友元关系不能继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员，但是子类中的基类的私有和保护成员可以通过基类的友元进行访问。

5.多继承

①单继承—— “一脉单传”

②多继承——“一父多子”

③菱形继承—— “一子多父”

• 由多继承衍生出来的问题。
  

class Person
{
protected:
	string _sex;
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _id;
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	string _profession;
};
class Assistant : public Student,public Teacher
{
protected:
	int _age;
};
int main()
{
	Assistant a;
	a._sex = 1;
	return 0;
}

对象模型：

说明：多继承从左往右进行继承。单继承先继承父类。也就是多继承从左往右开始，从上往下进行画对象模型，单继承从上往下，先画父类再画子类。

• 很显然,第一个问题，一个人不可能有两种性别吧？这样就导致了数据的冗余。
• 第二个问题，上述代码会报错，因为不知道访问的是哪一个_sex,必须得指定作用域，这样就导致了二义性。

---

那如何解决这个问题呢？

④菱形虚拟继承

如何实现呢？

class Person
{
public:
	int _number = 10;
};
class Student : virtual public Person
{
public:
	int _id = 6;
};
class Teacher :virtual public Person
{
protected:
	int _telephone= 1;
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
public:
	int _age = 18;
};
int main()
{
	Assistant a;
	return 0;
}

• 在基类衍生出来的第一代派生类的继承方式前加上virtual——虚拟继承

那其解决数据冗余和二义性的原理是什么呢？

第一步画出对象模型：

我们看出来，原来存Person的位置变了，取而代之的是类似与地址的数据。

我们再来验证一下是不是我们想的那样。

• 很显然是的。通过偏移量来进行计算Person位置，从而进行访问。
• 我们也能观察到偏移量是按照类的对象模型从上往下的规律排列的。

有人就要问了，为啥要用一张表存偏移量，而不是直接在原来的位置放上Person 的地址，答案其实很简单，想要知道Person的地址，不也得进行计算吗？ 况且如果每个实例化的类都进行计算，那必然是损耗效率的，但是实例化的类都有一个特点那就是 相对位置不会发生改变！因此我们只需计算一次，然后直接根据相对位置进行计算，实例化的类共用一份即可，这样也提升了效率。

还有一点，这样在向上转换时就不容易出错。

int main()
{
	Assistant a;
	Student stu;
	Student& stu1 = a;
	stu1._number = 1;
	//基类的引用，访问父类的虚基表，得到偏移量1，从而访问Person。
	stu._number = 2;
	//基类的对象，访问基类的虚基表，得到偏移量2，从而访问Person。（偏移量1 != 偏移量2）
	return 0;
}

• 这样访问的方式相同，由于偏移量的矫正，都能够访问正确的基类！

三、总结

• 继承由于多继承引发的菱形虚拟继承而变得复杂。如java等OO语言就舍弃了多继承。

说明：OOP——Object Oriented Programming（面向对象编程）

• 继承的缺陷在于提高了耦合度。
  举个例子：
  1 . 黑盒测试：不知道实现，只知道其功能，那我们只需要进行功能上的测试即可。
  2 . 白盒测试：实现暴露出来，也知道其功能，那我们还得理解其实现，才能进行测试。
   继承，更像是一种白盒测试，我们从基类中继承的protect成员还能够进行使用，一旦基类的成员名一改，就会导致派生类的成员无法使用，这也就是耦合度提高的原因。
   组合，更像是一种黑盒测试，我只用功能，你的底层细节我不关心，这样即使你的细节改了，对我没有影响，这降低了耦合度。
  总结：组合更符合高内聚，低耦合的概念。因此我们更提倡使用组合。至于继承应该具体场景下分析再进行使用，尤其是多继承和菱形虚拟继承！

说明：
高内聚 —— 一心只干一件事。
低耦合 —— 不同功能的关联程度很小。

补充——组合与继承：

class A
{
protected:
	int _a;
};
class B :public A
{
	//继承	
};
class C
{
	class A;//组合
};

• 继承更像是一种is_a关系，即花是植物，而组合更像是has_a的关系，即车里面有轮胎。

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