C++ 面向对象三大特性——继承
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<4>前言：面向对象三大特性的，封装，继承，多态，今天我们研究研究C++的继承。
目录
一.继承的概念及定义
1.继承的概念
2.继承的定义
二. 继承关系和访问限定符
三.基类和派生类对象赋值转换
四.继承中的作用域
五.派生类的默认成员函数
1.构造函数
2.拷贝构造
3.operator=
4.析构函数
六.继承与友元
七.继承与静态成员
八. 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
1.单继承
2. 多继承
3.菱形继承
4. 虚拟继承
九.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
十.继承的总结和反思
一.继承的概念及定义
1.继承的概念
生活中我们可以通过继承的方式，获得老一辈的人给我们的东西。
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。
//personl类
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
//Student继承Person
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
//Teacher继承Person
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
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。
2.继承的定义
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。
二. 继承关系和访问限定符
继承方式有三种，分别是公有继承，保护继承，和私有继承，对应我们的访问限定符public，protacted，private。
继承基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。
三.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。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。（ps：这个我们后面再讲解，这里先了解一下）。
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 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;
return 0;
}四.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
class Person
{
protected:
string _name = "小李子"; // 姓名
int _num = 111; // 身份证号
};
class Student : public Person
{
public:
void Print()
{
cout << " 姓名:" << _name << endl;
//显示访问
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;
}
注意：区分隐藏和重载的条件
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
void fun(int a, int b)
{
cout << "fun(int a, int b)" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
A::fun();
A::fun(0, 0);
cout << "func(int i)->" << i << endl;
}
};
int main()
{
B b;
b.fun(1);
return 0;
}
注意：A::fun() 和 A::fun(int，int) 是函数重载的关系，B::fun(int)和A::fun(),A::fun(int,int）隐藏/重定义关系。
五.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？
1.构造函数
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。
class A
{
public:
A()
{
cout << "A()" << endl;
}
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
//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。
//派生类的默认构造函数调用基类的默认构造。
void fun(int i)
{
A::fun();
cout << "func(int i)->" << i << endl;
}
};
int main()
{
B b;
return 0;
}
基类没有默认构造函数，在派生类的构造函数里要显示调用:
class A
{
public:
A(int i)
{
cout << "A(int i)" << endl;
}
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
//A中没有默认构造函数，B就必须显示调用A的构造函数
B()
:A(1)
{
}
void fun(int i)
{
A::fun();
cout << "func(int i)->" << i << endl;
}
};
注意：派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
2.拷贝构造
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。
class A
{
public:
A(int i)
{
cout << "A(int i)" << endl;
}
A(const A& a)
{
_aa = a._aa;
}
int _aa;
};
class B : public A
{
public:
//A中没有默认构造函数，B就必须显示调用A的构造函数
B()
:A(1)
{
}
B(const B& b)
:A(b)//基类拷贝构造,拷贝基类的那部分
{
_bb = b._bb;//派生类的单独拷贝
}
int _bb;
};3.operator=
派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
class A
{
public:
A(int i)
{
cout << "A(int i)" << endl;
}
A(const A& a)
{
_aa = a._aa;
}
//赋值运算符重载
A& operator=(const A& a)
{
if (this != &a)
{
_aa = a._aa;
}
return *this;
}
int _aa;
};
class B : public A
{
public:
//A中没有默认构造函数，B就必须显示调用A的构造函数
B()
:A(1)
{
}
B(const B& b)
:A(b)//基类拷贝构造,拷贝基类的那部分
{
_bb = b._bb;//派生类的单独拷贝
}
B& operator=(const B& b)
{
if (&b != this)
{
A::operator=(b);//调用基类的赋值重载运算符，完成继承部分的赋值。
_bb = b._bb;//派生类自己的单独赋值。
}
return *this;
}
int _bb;
};4.析构函数
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。
class A
{
public:
A(int i)
{
cout << "A(int i)" << endl;
}
A(const A& a)
{
_aa = a._aa;
}
//赋值运算符重载
A& operator=(const A& a)
{
if (this != &a)
{
_aa = a._aa;
}
return *this;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
int _aa;
};
class B : public A
{
public:
//A中没有默认构造函数，B就必须显示调用A的构造函数
B()
:A(1)
{
}
B(const B& b)
:A(b)//基类拷贝构造,拷贝基类的那部分
{
_bb = b._bb;//派生类的单独拷贝
}
B& operator=(const B& b)
{
if (&b != this)
{
A::operator=(b);//调用基类的赋值重载运算符，完成继承部分的赋值。
_bb = b._bb;//派生类自己的单独赋值。
}
return *this;
}
~B()
{
cout << "~B()" << endl;
}
int _bb;
};注意：派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
注意：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(这个我们后面会讲解)。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。
六.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。
class Student;
class Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << p._name << endl;//与Person是友元关系，可以访问。
cout << s._stuNum << endl;//与Student不是友元关系，不可以访问。
}
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
七.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 。
class Person
{
public:
//没创建一个Person和其派生类_count都会++
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;
}
八. 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
1.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。
2. 多继承
一个子类继承多个父类时称这个继承关系为多继承。
多继承格式：
class Vegetable
{
public:
Vegetable()
:vage_benefit("一个很好吃的蔬菜")
{
}
void get_vage_benefit()
{
cout << vage_benefit << endl;
}
protected:
string vage_benefit;
};
class Fruit
{
public:
Fruit()
:fruit__benefit("一个很好吃的水果")
{
}
void get_fruit__benefit()
{
cout << fruit__benefit << endl;
}
protected:
string fruit__benefit;
};
class Tomato :public Vegetable, public Fruit
{
public:
Tomato()
:tomato_benefit("西红柿既好吃又便宜")
{
}
void get_tomato__benefit()
{
cout << tomato_benefit << endl;
}
protected:
string tomato_benefit;
};
int main()
{
Tomato tomato;
tomato.get_vage_benefit();
tomato.get_fruit__benefit();
tomato.get_tomato__benefit();
return 0;
}
3.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";
}对象监视图：
4. 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。
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";
}
三处的_name地址完全相同，即使用同一块空间。
九.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继承体系，再借助内存窗口观察对象成
员的模型。
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;
}
根据上面的设计，自然也就解决了数据二义性的问题，但是有人会觉得这个设计浪费空间。我们今天看似是少了一个变量却多了两个指针，但是在设计上指针的成本是固定的，而冗余的变量是不确定的。如果下次冗余的是一个更大的成员呢？我们的解决的成本还是两个虚机表指针。对于虚机表更不会有空间的增加，因为一个类型的多个对象是共用一张虚机表的，因为他们的类模型都是一样的。
十.继承的总结和反思
- 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。
- 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。
// 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
};