【巧妙继承】C++玩转继承的神级技巧
本篇目录
- 什么是继承？
- 继承的格式
- 继承关系和访问限定符
- 继承父类成员访问方式的变化
- 基类和派生类对象赋值转换
- 继承中的作用域
- 派生类的默认成员函数
-
- 构造函数
- 拷贝构造
- 赋值重载
- 析构函数
- 继承与友元
- 继承与静态成员
- 多继承与菱形继承
-
- 虚拟继承
- 菱形虚拟继承的实现原理
- 继承和组合
- 小结
博客主页：.小智
欢迎关注：点赞收藏✍️留言
系列专栏：C++终极篇
代码仓库：小智的代码仓库
什么是继承？
继承概念：
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。
举个栗子：
我们描述一个学生可以通过年龄，姓名，学号等来进行描述，描述一个老师可以通过年龄，姓名，工号等来描述，我们可以发现他们有着相同的元素，"年龄和姓名"，这里我们就可以将年龄和姓名单独描述成一个类，然后通过继承可以使得学生和老师可以使用这两个属性，这样可以减少重复的代码。
具体代码实现：
//包含年龄和姓名的类
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "xiaozhi"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
//学生类
class Student : public Person//继承了Person类
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
教室类
class Teacher : public Person//继承了person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
int main()
{
Student S;
Teacher T;
S.Print();
T.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。
两个成院变量的复用：
Print函数的复用：
继承的格式
下面我们看到Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。
继承关系和访问限定符
继承父类成员访问方式的变化
| 类成员/继承方式 | public继承 | protected继承 | private继承 |
|---|---|---|---|
| 基类的public成员 | 派生类的public成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的private成员 |
| 基类的protected成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的private成员 |
| 基类的private成员 | 在派生类中不可见 | 在派生类中不可见 | 在派生类中不可见 |
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。
基类和派生类对象赋值转换
- 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。
- 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。
class Person
{
protected:
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
int _No; // 学号
};
int main()
{
Student s;
// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person p =s;
Person* pp = &s;
Person& rp = s;
//2.基类对象不能赋值给派生类对象
//s = p; //这里会报错
// 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
Student* ps1 = (Student*)pp;// 这种情况转换时可以的。
pp = &p;
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
return 0;
}
p=s的过程发生了赋值兼容（切割/切片）没有产生临时变量：
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。
// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系
class Person
{
protected:
string _name = "小智"; // 姓名
int _num = 111; // 身份证号
};
class Student : public Person
{
public:
void Print()
{
cout << " 姓名:" << _name << endl;
cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;
cout << " 学号:" << _num << endl;
}
protected:
int _num = 999; // 学号
};
int main()
{
Student s1;
s1.Print();
return 0;
}
运行结果:
【注意】：
// 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;
}
};
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数名进行特殊处理，处理成destrutor()，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。
构造函数
class Person
{
public:
Person(const char* name = "peter")
: _name(name)
{
cout << "Person()" << endl;
}
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name = "张三", int id = 0)
: _id(id)
{
cout << "Student()" << endl;
}
protected:
int _id;
};
int main()
{
Student st;
return 0;
}
这里我们创建一个Student对象可以看到先调用了父类的构造函数，再调用自己的构造函数。这个过程完全是由编译器自己来完成的。前提是父类必须有自己的默认构造。
如果父类没有默认构造的话我们就需要在子类的初始化列表中显示调用来初始化。
//父类的构造函数
Person(const char* name)//不是默认构造函数
: _name(name)
{
cout << "Person()" << endl;
}
//子类的构造函数
Student(const char* name = "张三", int id = 0)
:Person(name)
,_id(id)
{
cout << "Student()" << endl;
}
拷贝构造
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()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name = "张三", int id = 0)
: _id(id)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
:Person(s)
,_id(s._id)
{
cout << "Student(const Student& s)"<<endl;
}
~Student()
{
cout << "~Student()"<<endl;
}
protected:
int _id;
};
int main()
{
Student st;
Student s(st);
return 0;
}
我们利用st拷贝构造出一个s对象。
在子类的拷贝构造中我们在初始化列表中显示调用Person(s)来进行赋值兼容（切片），
这样父类就会使用自己的拷贝构造函数来完成拷贝。
赋值重载
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;
};
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name = "张三", int id = 0)
: _id(id)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
:Person(s)
,_id(s._id)
{
cout << "Student(const Student& s)"<<endl;
}
Student& operator=(const Student& s)
{
cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);
_id = s._id;
}
return this;
}
~Student()
{
cout << "~Student()"<<endl;
}
protected:
int _id;
};
int main()
{
Student st;
Student s;
s = st;
return 0;
}
这里跟上面在重载运算符中显示调用父类的重载运算符。
析构函数
析构函数编译器会自动调用。
继承与友元
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。
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 。
多继承与菱形继承
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
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";
}
图解：
虚拟继承
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。
菱形继承的定义方法就是在public前面加上virtaul关键字即可。
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";
}
菱形虚拟继承的实现原理
普通菱形继承：
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;
d._a = 0;
return 0;
}
普通菱形继承下内存的存储结构：
菱形虚拟继承：
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;
d._a = 0;
return 0;
}
菱形虚拟继承下内存的存储结构：
但是我们发现B 、C对象里多了两个类似于地址的东西，我们把地址输入到内存窗口再来观察。
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。这样设计以后每次创建一个新的对象，新的对象里面还是一样的指向这两个偏移值。
我们来验证一下：
下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：
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。
class A
{
public:
int _a;
};
//继承
class B : public A
{
public:
int _b;
};
//组合
class C
{
public:
int _c;
A a;
};
小结
今天我们学习了了C++继承相信大家看完有一定的收获。种一棵树的最好时间是十年前，其次是现在！ 把握好当下，合理利用时间努力奋斗，相信大家一定会实现自己的目标！加油！创作不易，辛苦各位小伙伴们动动小手，三连一波~~~，本文中也有不足之处，欢迎各位随时私信点评指正！
本节课的代码已上传gitee仓库