C++继承
C++继承
- 继承的概念及定义
-
- 继承的概念
- 继承定义
-
- 定义格式
- 继承关系和访问限定符
- 继承基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
- 继承与友元
- 继承与静态成员
- 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
-
- 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
- 继承的总结和反思
- 笔试面试题
继承的概念及定义
继承的概念
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。
class Person
{
public:
void print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "gtt";
int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid;
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid;
};
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。
继承定义
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：
继承关系和访问限定符
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public成员 | 派生类public成员 | 派生类protected成员 | 派生类private成员 |
| 基类protected成员 | 派生类protected成员 | 派生类protected成员 | 派生类private成员 |
| 基类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。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << _name << endl;
}
protected:
string _name; // 姓名
private:
int _age; // 年龄
};
class Student : protected Person
//class Student : private Person
//class Student : public Person
{
void Set(const char* name, int age)
{
_name = name;//可以访问protected成员
_age = age;//在派生类中访问private成员不可行
}
protected:
int _stunum; // 学号
};
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。
赋值给基类的对象：
赋值给基类的指针：
赋值给基类的引用：
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;
Person pobj = sobj;//派生类对象赋值给基类对象
Person* pp = &sobj;//派生类对象赋值给基类指针
Person& rp = sobj;//派生类对象赋值给基类引用
}
- 基类对象不能赋值给派生类对象
void Test()
{
Student sobj;
Person pobj;
sobj = pobj;//这样是不行的
}
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，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:
string _name = "张三"; // 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;//指定访问父类成员
cout << " 学号:" << _num << endl;//访问自己成员
}
protected:
int _num = 999; // 学号
};
void Test()
{
Student s1;
s1.Print();
}
// 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);
}
派生类的默认成员函数
我们以下面这段代码进行分析：
//基类
class Person
{
public:
//构造函数
Person(const char* name = "peter")
: _name(name)
{
cout << "Person()" << endl;
}
//拷贝构造函数
Person(const Person& p)
: _name(p._name)
{
cout << "Person(const Person& p)" << endl;
}
//赋值运算符重载
Person& operator=(const Person& p)
{
cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
if (this != &p)
_name = p._name;
return *this;
}
//析构函数
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
protected:
string _name; // 姓名
};
//派生类
class Student : public Person
{
public:
//构造函数
Student(const char* name, int num)
:Person(name)//调用基类构造函数初始化基类那一部分成员
,_num(num)//初始化派生类成员
{}
//拷贝构造函数
Student(const Student& s)
:Person(s)//调用基类拷贝构造函数初始化基类那一部分成员
,_num(s._num)//拷贝构造派生类成员
{}
//赋值运算符重载
Student& operator=(const Student& s)
{
cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
if (this != &s)
{
Person::operator =(s);//调用基类operator=完成基类成员赋值
_num = s._num;//完成派生类成员赋值
}
return *this;
}
// 子类的析构的函数跟父类析构函数构成隐藏。
// 由于后面多态的需要，析构函数名字会统一处理成destructor()
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
//不需要显示调用父类的析构函数，派生类的析构函数会在调用后自动调用基类析构函数
}
protected:
int _num;
};
- 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。
在编写派生类的默认成员函数时，需要注意以下几点：
- 派生类和基类的赋值运算符重载函数因为函数名相同构成隐藏，因此在派生类当中调用基类的赋值运算符重载函数时，需要使用作用域限定符进行指定调用。
- 由于多态的某些原因，任何类的析构函数名都会被统一处理为destructor();。因此，派生类和基类的析构函数也会因为函数名相同构成隐藏，若是我们需要在某处调用基类的析构函数，那么就要使用作用域限定符进行指定调用。
- 在派生类的拷贝构造函数和operator=当中调用基类的拷贝构造函数和operator=的传参方式是一个切片行为，都是将派生类对象直接赋值给基类的引用。
基类的构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数我们都可以在派生类当中自行进行调用，而基类的析构函数是当派生类的析构函数被调用后由编译器自动调用的，我们若是自行调用基类的构造函数就会导致基类被析构多次的问题。
我们知道，创建派生类对象时是先创建的基类成员再创建的派生类成员，编译器为了保证析构时先析构派生类成员再析构基类成员的顺序析构，所以编译器会在派生类的析构函数被调用后自动调用基类的析构函数。
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;//可以访问
cout << s._stuNum << endl;//无法访问
}
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
若想让Display函数也能够访问派生类Student的私有和保护成员，只能在派生类Student当中进行友元声明。
class Student : public Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
int _stuNum; // 学号
};
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:
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;//4
cout << " 人数 :" << Student::_count << endl;//4
Student::_count = 0;
cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;//0
cout << &Person::_count << endl;//0089E3D8
cout << &Student::_count << endl;//0089E3D8
}
复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
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; //工号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; //主修课程
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "张三";//此时进行访问就会出现二义性问题，无法明确知道是Student还是Teacher中的
// 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 = "张同学";
a.Teacher::_name = "李老师";
return 0;
}
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; //工号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; //主修课程
};
int main()
{
Assistant a;
a.Student::_name = "张同学";
a.Teacher::_name = "李老师";
//两者地址一样，解决了冗余的问题
cout << &a.Student::_name << endl;//0093F7E4
cout << &a.Teacher::_name << endl;//0093F7E4
return 0;
}
虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
首先，我们来看看菱形继承内存中是怎么分布的：
class A
{
public:
int _a;
};
class B : public A
{
public:
int _b;
};
class C : 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;
}
调用内存窗口：
D类对象在内存中分布如下：
可以看出，D类对象中会出现两个_a成员的出现。
接下来，我们来看看虚拟菱形继承内存中是怎么分布的：
class A
{
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
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;
}
调用内存窗口：
上图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：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。
D类对象在内存中分布如下：
我们若是将D类对象赋值给B类对象，在这个切片过程中，就需要通过虚基表中的第二个数据找到公共虚基类A的成员，得到切片后该B类对象在内存中仍然保持这种分布情况。
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。
继承与组合
- 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-boxreuse)，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。
例如：车和宝马，奔驰之间属于is-a关系，适合用继承：
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;
}
};
车和轮胎轮胎之间是has-a关系，就适合用组合：
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
};
笔试面试题
- 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
菱形继承是多继承的一种特殊情况，两个子类继承同一个父类，而又有子类同时继承这两个子类，我们称这种继承为菱形继承。菱形继承因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致数据冗余和二义性的问题
- 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的问题？
菱形虚拟继承是指在菱形继承的腰部使用虚拟继承(virtual)的继承方式，菱形虚拟继承对于D类对象当中重复的A类成员只存储一份，然后采用虚基表指针和虚基表使得D类对象当中继承的B类和C类可以找到自己继承的A类成员，从而解决了数据冗余和二义性的问题。
- 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
继承是一种is-a的关系，而组合是一种has-a的关系。如果两个类之间是is-a的关系，使用继承；如果两个类之间是has-a的关系，则使用组合；如果两个类之间的关系既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合