C++ 继承

目录

一、继承的概念与定义

1.1 继承的概念

1.2 继承的定义

1.2.1 语法

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

二、基类和派生类对象赋值转换

三、继承中的作用域

四、派生类的默认成员函数

五、C++11 final

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

8.1 单继承与多继承

8.2 菱形继承

8.3 虚拟继承

九、继承与组合

一、继承的概念与定义

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： 

#include <iostream>
using namespace std;
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。
// Student和Teacher复用了Person的成员。
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;
}

        Student类和 Teacher类共有属性和行为_name、_age等，将这些共性内容提取出来，抽象成一个基类 Person， Student和 Teacher作为Person的派生类，复用它的_name、Print()等，并在Person的基础上根据自己的特性扩展出新的属性_stuid、_jobid，这便是继承。

1.2 继承的定义

        继承是一种允许派生类（子类）继承基类（父类）的属性和方法的机制。通过继承，派生类可以重用基类的代码，同时还可以添加新的属性和方法，或者修改继承来的属性和方法。

1.2.1 语法

在C++中，使用冒号（:）来表示继承关系

class 派生类 : 访问限定符 基类
{
    // 类体
};

在下面这个例子中，Person 是父类/基类，Student 是子类/派生类，public 是继承方式。

class Student : public Person
{
protected:
    int _stuid; // 学号
};

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

总结：

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. 基类的 protected 成员在派生类中是可以访问的，但必须通过派生类的对象来访问，而不是通过基类类型的引用或指针。
4. 此表格可以一句话概括：基类的私有成员在子类不可见，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)
5. 在实际运用中一般使用都是 public 继承，几乎很少使用也不提倡使用 protetced/private 继承，也不提倡，因为实际中扩展维护性不强。

注意：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 ，因此下面这种写法也可行，不过最好显示地写出继承方式。

class Student : Person // 默认私有继承，private Person
{
protected:
    int _stuid; // 学号
};
struct Teacher : Person // 默认公有继承，private Person
{
protected:
    int _jobid; // 工号
};
//不难发现，默认继承方式和class与struct的默认访问限定符是一致的

示例：

class Base
{
public:
    int a;
protected:
    int b;
private:
    int c;
};
class Derived1 : public Base
{
    // 继承后的访问方式————
    // public: a
    // protected: b
    // 不能访问c
};
class Derived2 : protected Base
{
    // 继承后的访问方式————
    // protected: a
    // protected: b
    // 不能访问c
};
class Derived3 : private Base
{
    // 继承后的访问方式————
    // private: a
    // private: b
    // 不能访问c
};

二、基类和派生类对象赋值转换

        我们知道，double 类型可以赋值给 int类型，是因为中间生成了一个临时变量，而临时变量具有常性，所以double 类型无法赋值给 int&类型，而加上 const 后可以。

double a = 1.2;
int b = a;
int& ra = a;//报错
const int& cra = a;

        与之不同的是，派生类对象可以直接赋值给 基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用，中间不产生临时对象，我们称之为父子类赋值兼容规则。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。

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;// 通过修改rp中的_name/_sex/_age可以修改sobj中的_name/_sex/_age

    //2.基类对象不能赋值给派生类对象
    sobj = pobj; //报错

    // 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;
}

•  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。

注意：

• 父类子类可以有同名成员，因为它们是独立作用域。默认情况下，访问这个同名成员是直接访问子类的，子类同名成员隐藏了父类同名成员。如果要访问父类的这个成员，需要显示指定父类（在前面加上'父类::'）。
• 继承中，函数同名构成隐藏，不管参数和返回值。（非函数重载，因为不在同一个作用域）

class Base
{
public:
    int _a = 0;
    int _b = 0;
    void func()
    {
        cout << "func()" << endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public :
    int _a = 1;
    void test()
    {
        cout << _a << endl; // 1
        cout << Base::_a<< endl;// 0
    }
    void func(int i)
    {
        cout << "func(int i)->" << i << endl;
    }
};

int main()
{
    Derived d;
    cout << d._b << endl;;// 0
    d.func(1);// func(int i)-> 1
    d.Base::func();// func （需要指定父类）
}

三、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. 若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. 如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。

四、派生类的默认成员函数

• 如果基类有默认构造函数，派生类可以隐式调用；否则，必须在派生类构造函数初始化列表阶段显式调用基类的构造函数，并且必须先调用基类的构造函数，然后再初始化自己的成员变量。（构造：先父后子）

1. 基类有默认构造，隐式调用

class Base
{
public:
    Base() { cout << "Base()" << endl; }
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived() {}
};

int main()
{
    Derived d;// 打印"Base()"
}

2.  基类没有默认构造，需要显示调用基类的构造函数来初始化基类中的成员。

class Base
{
public:
    // 没有默认构造
    Base(int x)
        : _x(x)
    {
        cout << "Base(int x)->" << _x << endl;
    }

protected:
    int _x;
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived(int x, int y) : Base(x), _y(y) {}
    // 不能写成 Derived(int x, int y) :_y(y),Base(x){}

private:
    int _y;
};

• 派生类的拷贝构造函数必须先调用基类的拷贝构造完成基类的拷贝初始化，然后再拷贝自己的成员变量。
• 派生类的operator=必须要先调用基类的operator=完成基类的复制，注意避免自我赋值。
• 取地址运算符重载在派生类中通常不需要特殊处理，除非有特殊需求。

class Base
{
public:
    Base(int x)
        : _x(x)
    {
        cout << "Base(int x)->" << _x << endl;
    }

    Base(const Base &b)
        : _x(b._x)
    {
        cout << "Base(const Base& b)" << endl;
    }
    Base& operator=(const Base& b)
    {
        cout << "Base& operator=(const Base& b)" << endl;
        if (this != &b)
        {
            _x = b._x;
        }
        return *this;
    }
protected:
    int _x;
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived(int x, int y) : Base(x), _y(y) {}

    Derived(const Derived &d)
        : Base(d),// 这里用到了基类对象和派生类的对象的赋值转换
          _y(d._y)
    {
        cout << "Derived(const Derived &d)" << endl;
    }
    Derived& operator=(const Derived& d)
    {
        cout << "Derived& operator=(const Derived& d)" << endl;
        if (this != &d)
        {
            // 由于operator=和父类的构成隐藏，需要显示调用
            Base::operator=(d); // 同样的，这里也用到了赋值转换
            _y = d._y;
        }
        return *this;
    }

private:
    int _y;
};

• 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，因此不需要显式调用基类析构。这样保证了派生类对象先清理派生类成员再清理基类成员的顺序。因此派生类对象析构清理必然是先调用派生类析构再调基类的析构。
• 由于多态的原因，析构函数统一会被处理成destructor，父子类的析构函数构成隐藏。因此即使要显式调用基类析构（错误写法），也要指定父类。

class Base
{
public:
    ~Base()
    {
        cout << "~Base()" << endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    ~Derived()
    {
        // 不需要显式调用基类析构
        // 如果这里显式调用 Base::~Base(); (不能写~Base();)会发现Base析构了两次
        cout << "~Derived()" << endl;
    }
};

总结： 构造先父后子，析构先子后父。（如果先构造派生类部分，而基类部分的赋值依赖于派生类部分的状态，可能会导致未定义行为，析构同理）

五、C++11 final

        C++11引入 final 关键字，用于限制类的继承和函数的重写。

禁止类的继承：

class Base final {
public:
    void display() {
        std::cout << "Base class" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base { // 错误：不能从final类派生
    void display() {
        std::cout << "Derived class" << std::endl;
    }
};

六、继承与友元

 友元关系不会被继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
    int x;
    friend class FriendClass; // 声明FriendClass为友元
};

class Derived : public Base {
    int y;
};

class FriendClass {
public:
    void show(Base& b) {
        cout << "Base::x = " << b.x << endl; // 可以访问Base的私有成员
    }

    void show(Derived& d) {
        cout << "Derived::y = " << d.y << endl; // 错误：不能访问Derived的私有成员
    }
};

int main() {
    Base b;
    Derived d;
    FriendClass f;
    f.show(b); // 正确
    f.show(d); // 错误
    return 0;
}

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。静态数据成员会被派生类继承，可以通过基类名或派生类名访问，但在内存中只有一个实例。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    static int count; // 静态数据成员，无论派生多少个都只有这一个count实例
    static void display() { // 静态成员函数
        cout << "Base::count = " << count << endl;
    }
};

int Base::count = 0; // 静态数据成员的定义和初始化

class Derived : public Base {
public:
    void increment() {
        count++; // 可以直接访问继承的静态数据成员
    }
};

int main() {
    Derived d;
    d.increment(); // 调用派生类的成员函数，间接修改静态数据成员
    Derived::display(); // 通过派生类名调用继承的静态成员函数
    Base::display(); // 通过基类名调用静态成员函数
    return 0;
}

八、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

8.1 单继承与多继承

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（继承的基类之间用逗号分隔）

8.2 菱形继承

        菱形继承是多继承的一种特殊情况，它涉及到一个类继承自两个派生自同一个基类的类。这种结构会导致基类在派生类中出现多次，从而引发潜在的问题，如成员变量的重复和析构函数的多次调用。

 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
};

int main()
{
    // 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";// 错误
    // 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";
}

8.3 虚拟继承

        为了解决菱形继承中数据冗余和二义性的问题，当一个派生类通过多条路径继承同一个基类时，可以使用 virtual 关键字来声明继承关系。这样，基类在最终派生类中只会有一个实例。注意虚拟继承不要在其他地方使用。

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。

class Person
{
public:
    string _name; // 姓名
};
// 虚拟继承
class Student : virtual public Person
{
protected:
    int _num; //学号
};
// 虚拟继承
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
};

int main()
{
    Assistant a;
    // 通过虚拟继承可以直接写成a._name
    a._name = "xxx";
    a.Student::_name = "yyy";
    a.Teacher::_name = "zzz";
    // 且这三种方式都修改的是同一个_name，解决了数据冗余的问题
}

 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理：

        假设有一个类A，两个类B和C都继承自A，而类D继承自B和C。且A中有成员_a，B中成员_b，C中成员_c，D中成员_d。在这种情况下，D会包含两个A的副本，一个来自B，另一个来自C。

菱形继承：借助内存窗口观察对象成员的模型，可以看到数据冗余，B和C中各有一个A。

菱形虚拟继承：

class A
{
public:
    int _a;
};
class B : virtual public A
{
    // 虚继承
public:
    int _b;
};
class C : virtual public A
{
    // 虚继承
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;
}

通过下图发现，D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A是公共的，同时属于B和C。而B和C中多出两个地址，实际上是两个指针，指向两张表。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。通过偏移量就可以找到下面的A。

 这里B的虚基表存的偏移量为0x14，0x005EF75C + 0x14 = 0x005EF770即A的地址；同样的，C的虚基表存的偏移量为0x0c，0x005EF764 + 0x0c = 0x005EF770。

虚拟继承是为了解决数据冗余，为什么这里使用虚拟继承后内存看起来反而变大了呢？

因为这里为了便于演示，A中只有一个int类型。假设A中有一个数组，若是菱形继承，D中就包含两个数组；若是虚拟菱形继承，只包含一个数组，内存大小自然就小了。

下面是之前的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：

注意：在实际使用中，一般不要设计出菱形继承。 否则在复杂度及性能上都有问题。

九、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。

// 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
};

        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。如果类之间的关系可以用继承也可以用组合，那就用组合。