【C++进阶】继承
内容专栏： C/C++编程
本文概括： 继承的概念与定义、基类与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、菱形继承与虚继承、继承的总结与反思。
本文作者： 阿四啊
发布时间：2023.11.9
一、继承的概念及定义
1.1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。
简单讲，我们在学C语言时写快排、堆排、冒泡排序的时候都会写一份swap交换函数，然后用到交换元素的时候复用这一份swap函数代码即可，而类与类之间设计层次的复用就称为继承。
比如：我们拟实现一个学生管理系统，实现一个学生Student类，我们只需要描述关于学生的一些字段像学号、成绩…等，实现一个老师Teacher类，我们只需要描述关于老师的一些字段像工号、课程的安排……等，
而一些共有的描述像姓名、年龄、性别……等，我可以实现一个Person类进行封装。
以上在继承关系中作为被继承类的类Person，称为父类或者基类。
在继承关系中作为继承类的类Student、Teacher，称为子类或者派生类。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
// 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继承定义
1.2.1 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。
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
| 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当中，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就会发现。基类的私有成员在子类都是不可见的。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与继承方式的最小值)，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。
- 在实际运用当中一般使用的都是public继承，几乎很少使用protected/private继承(以下红线标记部分)，也不提倡使用protected/private继承，因为protected/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。
// 实例演示三种继承关系下基类成员的各类型成员访问关系的变化
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
{
protected :
int _stunum ; // 学号
};
二、基类和派生类对象赋值转换
在之前我们讲过，当不同类型的两个变量之间进行赋值时，会发生隐式类型转换。所谓隐式类型转换，是指不需要用户干预，编译器默认进行的类型转换行为。
以下写法，编译不通过。因为double类型转换为int类型，中间产生临时变量。
int main()
{
//内置类型
double d = 1.1;
int a = d;//中间会产生临时变量
int& i = d;//编译不通过，中间会产生临时变量，临时变量具有常性
//自定义类型
string str = "xxxx";//隐式类型转换
string& pstr = "xxxx";//编译不通过，中间会产生临时变量，临时变量具有常性
}
当不同类型的两个变量之间进行赋值时，中间会产生临时变量。
但是以下现象却不一样，基类Person继承以public继承方式继承给子类Student，父类和子类是is-a的关系。在main函数中，创建一个子类对象s，把s赋值给一个父类对象p，运行之后编译通过。
class Person
{
public:
void Print()
{}
private:
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
protected:
int _stunum; // 学号
};
int main()
{
Student s;
Person p = s;
Person& rp = s;
return 0;
}
这里的public继承，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，我们把他叫做父子类赋值兼容规则，也叫切割或者切片。
⚠️注意：
- 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(RunTime 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
};
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;//error
// 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;//error
}
三、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，子类成员将屏蔽对父类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(不管参数和返回值)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 = "小李子"; // 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
};
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);
};
四、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(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() ，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。
//派生类的默认成员函数
//有了继承便有了三种情况：内置类型对象、自定义类型对象、基类对象
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)
//这里可以理解为调用匿名对象的方式，调用父类的构造函数
: Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
//父子类赋值兼容规则(切片)
: 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;
}
//由于多态的原因，析构函数统一被处理为destructor
//父子类析构函数构成隐藏
//为什么最好不在子类中调用父类的析构函数？
//为了保证析构安全，编译器处理为先子后父
//父类析构函数不需要显示调用，子类析构函数结束时会自动调用父类析构，保证先子后父！
~Student()
{
Person::~Person();
cout << "~Student()" << endl;
}
protected:
int _num; //学号
};
void Test()
{
Student s1("zhangsan", 18);
Student s2(s1);
Student s3("lisi", 17);
s1 = s3;
}
五、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;
cout << s._stuNum << endl;
//"Student::_stuNum”: 无法访问 protected 成员(在“Student”类中声明)
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
六、继承与静态成员
基类定义了static静态成员，静态成员在所有类对象中共享一份，所以整个继承体系中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;
Student ::_count = 0;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}
七、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
7.1 单继承、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。
那么聪明的你肯定看出来了，菱形继承会带来一些问题。
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问题，在Assistant的对象中Person对象成员会包含两份。
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 = "张三";
// 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 = "小张";
a.Teacher::_name = "老张";
}
7.2 虚继承
虚拟继承(添加virtual关键字)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。
7.3 虚继承的原理
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;
}
通过查看菱形继承的内存成员对象模型，我们发现了数据的冗余。
将代码再次转换为虚继承，查看虚继承的内存成员对象模型，这里我们分析出，D对象中将A放到了所有对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，那么B和C如何找到公共的A呢？这里是通过B和C两个指针，指向的一张表。这两个指针叫做虚基表指针，两张表叫做虚基表。虚基表中存放的是偏移量。如图中黄色方框部分，B通过偏移14(十六进制，十进制表示为20)个字节找到A，C通过偏移0c(十六进制，十进制为12)个字节找到A。
八、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。