【C++系列】理解C++中的继承-多继承的内存模型、继承与组合的比较

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。

继承基类成员访问方式的变化

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

继承和组合的比较

面向对象系统中功能复用的两种最常用技术是类继承和对象组合(object composition)。正如我们已解释过的，类继承允许你根据其他类的实现来定义一个类的实现。这种通过生成子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，父类的内部细节对子类可见。
　　
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。

继承和组合各有优缺点。类继承是在编译时刻静态定义的，且可直接使用，因为程序设计语言直接支持类继承。类继承可以较方便地改变被复用的实现。当一个子类重定义一些而不是全部操作时，它也能影响它所继承的操作，只要在这些操作中调用了被重定义的操作。

但是类继承也有一些不足之处。首先，因为继承在编译时刻就定义了，所以无法在运行时刻改变从父类继承的实现。更糟的是，父类通常至少定义了部分子类的具体表示。因为继承对子类揭示了其父类的实现细节，所以继承常被认为“破坏了封装性” 。

子类中的实现与它的父类有如此紧密的依赖关系，以至于父类实现中的任何变化必然会导致子类发生变化。当你需要复用子类时，实现上的依赖性就会产生一些问题。如果继承下来的实现不适合解决新的问题，则父类必须重写或被其他更适合的类替换。这种依赖关系限制了灵活性并最终限制了复用性。一个可用的解决方法就是只继承抽象类，因为抽象类通常提供较少的实现。

对象组合是通过获得对其他对象的引用而在运行时刻动态定义的。组合要求对象遵守彼此的接口约定，进而要求更仔细地定义接口，而这些接口并不妨碍你将一个对象和其他对象一起使用。这还会产生良好的结果：因为对象只能通过接口访问，所以我们并不破坏封装性；只要类型一致，运行时刻还可以用一个对象来替代另一个对象；更进一步，因为对象的实现是基于接口写的，所以实现上存在较少的依赖关系。

对象组合对系统设计还有另一个作用，即优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装，并被集中在单个任务上。这样类和类继承层次会保持较小规模，并且不太可能增长为不可控制的庞然大物。另一方面，基于对象组合的设计会有更多的对象 (而有较少的类)，且系统的行为将依赖于对象间的关系而不是被定义在某个类中。
　　
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。
　　
这导出了我们的面向对象设计的第二个原则：优先使用对象组合，而不是类继承。

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。子类的成员是要比父类多，赋值不到可能就是随机值。

Person	p； //一个父类对象
Student s； //子类对象
p=s； //切片
s=p； //不允许

Person *ptr=&s;//允许
Person& ref=s; //允许

Student * str=&p; //不允许
Student& ref=p; //不允许

这里虽然可以使用强制类型转换，但是这是非法的行为，不安全的，访问不到子类新增的成员。

Student * str=（student*）&p; //不安全
Student& ref=（student&）p; //不安全

继承中的作用域

1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
2. 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）
3. 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。
4. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
5. 保护成员在子类中可见，在类外不可见。

派生类的成员函数

1.构造函数

创建子类对象时，会自动调用父类的默认构造。在初始化阶段（还没有进入子类构造函数体时）先调用父类构造，在执行子类自身的构造。如果父类没有默认构造，则需要显示指定在初始化列表里。

注意：继承自父类的成员 不能在子类中进行初始化，必须调用父类的构造。

2.拷贝构造函数

子类没有实现自己的拷贝构造，则会自动调用父类的拷贝构造。
如果子类显示定义了拷贝构造，则会先调用父类的默认构造，在调用子类的拷贝构造。

如果在子类拷贝构造的初始化列表处显示调用父类的拷贝构造，则会先调用父类拷贝构造，在执行自己的拷贝构造。如图： A（b）这是一个切片的操作。

3.赋值运算符
子类没有显示定义，会自动调用父类的赋值运算符函数。
如果显示定义了，则不会自动调用父类的赋值运算符函数。
子类和父类的赋值运算符函数会构成同名隐藏，如果想要调用父类的，则需要指定父类的作业域。如图：

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。

先调用子类析构，在调用父类析构。
底层编译之后，子类析构和父类析构函数名相同，构成同名隐藏。不能在子类析构中显示调用父类析构，这样会造成父类析构被调用两次。

继承与友元、静态成员

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。

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 。

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。

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
};

对于上面的继承关系，这是一种菱形继承。从监视窗口可以看出在Assistant
的对象中Person成员会有两份。可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。

	Assistant as;
	as._name = "wu";// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
	as.Student::_name = "stu"; //正确
	as.Teacher::_name = "ter"; //正确
	as.Person::_name = "per"; //不正确

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

给出一个简化的菱形虚拟继承，研究一下内存模型。

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;
}

对于普通的虚拟继承，内存模型如下：
可以看出对于B和C中都有的A对象，存了两份。
如果使用虚拟继承，内存如下：

在B和C中增加了两个指针，指向了一张表。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。

菱形虚拟继承中包含虚函数

class A
{
public:
	int _a;
	virtual void func1()
	{
		cout << "A::func1()" << endl;
	}
};
class B :virtual public A
{
public:
	int _b;
	virtual void func2()
	{
		cout << "B::func2()" << endl;
	}
	virtual void func1()
	{
		cout << "B::func1()" << endl;
	}
};
class C :virtual public A
{
public:
	int _c;
	virtual void func1()
	{
		cout << "C::func1()" << endl;
	}
};
class D : public C,public B
{
public:
	int _d;
	virtual void func1()
	{
		cout << "D::func1()" << endl;
	}
	virtual void func3()
	{
		cout << "D::func3()" << endl;
	}
};

A中：func1
B中：重写A的func1，还有自己的func2
C中：重写A的func1
D中：重写A的func1，还有自己的func3

从上图可以发现，当给bb对象里加了个fun2函数后发现dd的对象模型又多了四个字节，这四个字节是在dd对象中继承的bb的内存空间中多出来的，就是用来存放bb对象自己的虚表地址。

因为aa对象被两个对象所继承，所以aa的虚表被被公用，因此bb和cc对象的虚函数就不能放在他们公共的虚表里，只能创建自己的虚表，把自己的虚函数放在自己的虚表。

然后dd对象里自己的虚函数（非继承来的）存在第一个继承来的对象的虚表里。

1.dd对象继承重写aa对象的虚函数存储在继承来的aa对象的虚函数表里。

2.dd对象里自己的虚函数（非继承来的）存在第一个继承来的对象的虚表里。