C++继承

发布于：2025-03-04 ⋅ 阅读:(10) ⋅ 点赞:(0)

目录

1. 继承的概念及定义

1.1 继承的概念

1.2 继承定义

1.2.1 定义格式

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

2. 基类和派生类对象赋值转换

3. 继承中的作用域

4. 派生类的默认成员函数

5. 继承与友元

6. 继承与静态成员

7. 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

8. 继承总结和反思

9. 笔试面试题

1. 继承的概念及定义

1.1 继承的概念

继承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，称为派生类。

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。

例如，以下代码中Student类和Teacher类就继承了Person类。

//父类
class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三"; //姓名
	int _age = 18;     //年龄
};
//子类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuid;   //学号
};
//子类
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。

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：

稍作观察，实际上基类成员访问方式的变化规则也不是无迹可寻的，我们可以认为三种访问限定符的权限大小为：public > protected > private，基类成员访问方式的变化规则如下：

  1. 在基类当中的访问方式为public或protected的成员，在派生类当中的访问方式变为：Min(成员在基类的访问方式，继承方式)。

  2. 在基类当中的访问方式为private的成员，在派生类当中都是不可见的。

基类的private成员在派生类当中不可见是什么意思？

这句话的意思是，我们无法在派生类当中访问基类的private成员。例如，虽然Student类继承了Person类，但是我们无法在Student类当中访问Person类当中的private成员_name。（子类用不了，不想被子类继承，但私有成员变量在派生类中是存在的）

//基类
class Person
{
private:
	string _name = "张三"; //姓名
};
//派生类
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		//在派生类当中访问基类的private成员，error!
		cout << _name << endl; 
	}
protected:
	int _stuid;   //学号
};

也就是说，基类的private成员无论以什么方式继承，在派生类中都是不可见的，这里的不可见是指基类的私有成员虽然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。

因此，基类的private成员在派生类中是不能被访问的，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，就需要定义为protected，由此可以看出，protected限定符是因继承才出现的。

注意： 在实际运用中一般使用的都是public继承，几乎很少使用protected和private继承，也不提倡使用protected和private继承，因为使用protected和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。

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。

2. 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
class Person
{
protected:
	string _name; //姓名
	string _sex;  //性别
	int _age;     //年龄
};
//派生类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuid;   //学号
};

代码当中可以出现以下逻辑：

Student s;
Person p = s;     //派生类对象赋值给基类对象
Person* ptr = &s; //派生类对象赋值给基类指针
Person& ref = s;  //派生类对象赋值给基类引用

派生类对象赋值给基类对象图示：

派生类对象赋值给基类指针图示：

派生类对象赋值给基类引用图示：

补充！

引用：Person& ref = s 特殊的语法规则：不是类型转换，中间没有产生临时变量，就是引用子类中父亲的部分

3. 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。

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 << " 学号:" << _num << endl;   // 隐藏/重定义
		cout << " 学号:" << Person::_num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();
}

注意：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 A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};

class B : public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};

void Test()
{
	B b;
	//b.fun()错误写法
	b.fun();
	//b.fun(10)正确写法
	b.fun(10);
}

b.fun()这样写会报错，子类调用fun默认会到子类去找，找不到才会去父类找，编译器此时会优先匹配到子类的fun(int i)，所以认为你要传一个参数过去，而此时你没传那就会报错。

b.A::fun()这样指明类域就可以调用父类的fun函数了

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（重载的前提是在同一作用域）

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。

子类继承父类，不是把成员函数拿一份下来到子类的的父类那块区域，只是可以让子类访问父类的成员函数（不私有），因为成员函数是存放到代码段的，但是继承下来的父类中的fun和子类中的fun(int)是用作用域的区别的

4. 派生类的默认成员函数

默认成员函数，即我们不写编译器会自动生成的函数，类当中的默认成员函数有以下六个：

下面我们看看派生类当中的默认成员函数，与普通类的默认成员函数的不同之处。

例如，我们以下面这个Person类为基类。

class Person
{
public:
	//构造函数
	Person(const char* name = "")
		: _name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}
	//拷贝构造
	Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}
	//赋值运算符重载函数
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;
		return *this;
	}
	//析构
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
		delete[] _str;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
	char* _str = new char[10]{ 'x','y','z'};
};

我们用该基类派生出Student类，Student类当中的默认成员函数的基本逻辑如下：

class Student : public Person
{
public:
	// 父类构造显示调用，可以保证先父后子
	Student(const char* name = "", int x = 0, const char* address = "")
		:_x(x)
		,_address(address)
		,_name(Person::_name+'x')
		, Person(name)
	{}

	Student(const Student& st)
		//只有在初始化列表的时候才是成员变量定义的地方
		//然后定义的时候才会调用构造函数（不是拷贝构造）
		:Person(st)
		,_x(st._x)
		, _address(st._address)
	{
		//这里写是赋值
	}

	Student& operator=(const Student& st)
	{
		if (this != &st)
		{
            //调用基类的operator=完成基类成员的赋值
			Person::operator=(st);
			_x = st._x;
			_address = st._address;
		}

		return *this;
	}

	// 由于多态，析构函数的名字会被统一处理成destructor()
	// 父类析构不能显示调用，因为显示调用不能保证先子后父
	~Student()
	{
		// 析构函数会构成隐藏，所以这里要指定类域
		//Person::~Person();

		cout << "~Student()" << endl;
		cout << _str << endl;
	}
protected:
	int _x = 1;
	string _address = "厦门同安区";
};

在构造的时候，不管子类把父类的构造放到哪里，在初始化列表的时候，编译器会优先走父类构造（编译器会做决定）

不能显示调用父类的析构，子类析构结束会自动调用父类的析构，就算显示调用了父类的析构，编译器在子类析构后，还会析构父类（因为如果在子类析构是显示调用父类析构，那子类输出_str就会报错）

父类构造函数不必写在初始化列表中，可以写在{}中，但子类必须走初始化列表，因为子类不走初始化列表就不能显示调用父类构造。但其实写在{}也可以调用父类默认构造，但不能传值给父类构造（显示传参调用父类构造）

派生类与普通类的默认成员函数的不同之处概括为以下几点

  1. 派生类的构造函数被调用时，会自动调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员，如果基类当中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当中显示调用基类的构造函数。
  2. 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝构造。
  3. 派生类的赋值运算符重载函数必须调用基类的赋值运算符重载函数完成基类成员的赋值。
  4. 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。
  5. 派生类对象初始化时，会先调用基类的构造函数再调用派生类的构造函数。
  6. 派生类对象在析构时，会先调用派生类的析构函数再调用基类的析构函数。

在编写派生类的默认成员函数时，需要注意以下几点：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

说明一下：
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。

5. 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

例如，以下代码中Display函数是基类Person的友元，当时Display函数不是派生类Student的友元，即Display函数无法访问派生类Student当中的私有和保护成员。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Student;
class Person
{
public:
	//声明Display是Person的友元
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; //姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _id; //学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl; //可以访问
	cout << s._id << endl; //无法访问
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}

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:
	//声明Display是Student的友元
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	int _id; //学号
};

6. 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 。

例如，在基类Person当中定义了静态成员变量_count，尽管Person又继承了派生类Student和Graduate，但在整个继承体系里面只有一个该静态成员。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//基类
class Person
{
public:
	Person() 
	{ 
		_count++; 
	}
	Person(const Person& p) 
	{
		_count++;
	}
protected:
	string _name; //姓名
public:
	static int _count; //统计人的个数。
};
int Person::_count = 0; //静态成员变量在类外进行初始化
//派生类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; //学号
};
//派生类
class Graduate : public Person
{
protected:
	string _seminarCourse; //研究科目
};
int main()
{
	Student s1;
	Student s2(s1);
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << Person::_count << endl; //4
	cout << Student::_count << endl; //4
	return 0;
}

此时我们也可以通过打印Person类和Student类当中静态成员_count的地址来证明它们就是同一个变量。

cout << &Person::_count << endl; //00F1F320
cout << &Student::_count << endl; //00F1F320

有此可得：static修饰的存在静态区，_count不仅属于父类，也属于子类（属于整个继承体系）

7. 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。

例如，对于以上菱形继承的模型，当我们实例化出一个Assistant对象后，访问成员时就会出现二义性问题

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
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
};
int main()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter"; //二义性：无法明确知道要访问哪一个_name
	return 0;
}

Assistant对象是多继承的Student和Teacher，而Student和Teacher当中都继承了Person，因此Student和Teacher当中都有_name成员，若是直接访问Assistant对象的_name成员会出现访问不明确的报错。

对于此，我们可以显示指定访问Assistant哪个父类的_name成员。

//显示指定访问哪个父类的成员
a.Student::_name = "薛之谦";
a.Teacher::_name = "周杰伦";

虽然该方法可以解决二义性的问题，但仍然不能解决数据冗余的问题。因为在Assistant的对象在Person成员始终会存在两份。

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。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Person
{
public:
	string _name; //姓名
};
class Student : virtual public Person //虚拟继承
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person //虚拟继承
{
protected:
	int _id; //职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; //主修课程
};
int main()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter"; //无二义性
	return 0;
}

此时就可以直接访问Assistant对象的_name成员了，并且之后就算我们指定访问Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员，访问到的都是同一个结果，解决了二义性的问题。

cout << a.Student::_name << endl; //peter
cout << a.Teacher::_name << endl; //peter

而我们打印Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员的地址时，显示的也是同一个地址，解决了数据冗余的问题。

cout << &a.Student::_name << endl; //0136F74C
cout << &a.Teacher::_name << endl; //0136F74C

8. 继承总结和反思

很多人都说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就可能存在菱形继承，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菱形继承，否则代码在复杂度及性能上都容易出现问题，当菱形继承出问题时难以分析，并且会有一定的效率影响。

多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO(Object Oriented)语言都没有多继承，如Java。

继承和组合

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；而组合是一种has-a的关系，若是B组合了A，那么每个B对象中都有一个A对象。 

例如，车类和宝马类就是is-a的关系，它们之间适合使用继承。（宝马是车）

class Car
{
protected:
	string _colour; //颜色
	string _num; //车牌号
};
class BMW : public Car
{
public:
	void Drive()
	{
		cout << "this is BMW" << endl;
	}
};

而车和轮胎之间就是has-a的关系，它们之间则适合使用组合（车里面有轮胎）

class Tire
{
protected:
	string _brand; //品牌
	size_t _size; //尺寸
};
class Car
{
protected:
	string _colour; //颜色
	string _num; //车牌号
	Tire _t; //轮胎
};

若是两个类之间既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。

  1. 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-boxreuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对于派生类可见，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性关系很强，耦合度高。

  2. 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，这种复用风格被称之为黑箱复用(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。

  3. 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。

9. 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（而这两个父类又同时都有一个共同父类的成员变量），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？

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。

这里B和C存A的成员变量因该是同一份

菱形虚拟继承就有点像static修饰的变量一样（在父类）这里的一样指定是机制：都是为了确保了数据的唯一性

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

本文章有些部分借鉴了这位大佬：大家感兴趣的可以看看哈：

面向对象编程：继承、虚拟继承与复用策略-CSDN博客

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