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C++ -- 继承

article 2024/11/8 3:12:08

继承

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，它允许我们在保持原有类的特性的基础上进行扩展，增加了方法（成员函数）和属性（成员变量），这样产生新的类称为派生类（子类）。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。以前我们只接触过函数层次的复用，而继承是在类设计层次上的复用。

class Student
{
public:
	//身份认证
	void identity()
	{
		// ……
	}
	//学习
	void study()
	{
		// ……
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	string _address;		// 地址
	string _tel;			// 电话
	int _age = 18;			// 年龄

	int _stuid;				// 学号
};

class Teacher
{
public:
	//身份认证
	void identity()
	{
		// ……
	}
	//授课
	void teaching()
	{
		// ……
	}
protected:
	string _name = "zhansgan";	// 姓名
	int _age = 18;				// 年龄
	string _address;			//	地址
	string _tel;				// 电话

	string _title;				// 职称
};

在上面的代码中，我们可以看到 Student 类和 Teacher类中都有姓名/地址/电话/年龄等成员变量，同时还有 identity 用于身份认证的成员函数，我们发现两个类设计的非常冗余，但由于这两个类中存在不同的变量和成员函数，因此我们并不能将两个类合并。

为了解决这种部分冗余的问题，C++的祖师爷本贾尼先生发明了继承。

class Person
{
public:
	//身份认证
	void identity()
	{
		cout << "void identity()" << _name << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	string _address;		// 地址
	string _tel;			// 电话
	int _age = 18;			// 年龄
};

class Student : public Person
{
public:
	//学习
	void study()
	{
		// ……
	}
protected:
	int _stuid;				// 学号
};

class Teather : public Person
{
public:
	//授课
	void teaching()
	{
		// ……
	}
protected:
	string _title;			// 职称
};

将两个类中公共的成员都放在 Person 类中，然后使 Student 和 Teacher 类都继承 Person 类，就可以复用 Person 类中的这些成员，省去了重复定义的麻烦。

定义

格式

了解了继承出现的原因之后，我们来看看继承的定义。在上面的代码中，Person类中的成员都继承给了 Student 和 Teacher 类，我们将 Person 称为基类（父类），Student 和 Teacher 成为派生类（子类）。

继承方式

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	派生类中不可见	派生类中不可见	派生类中不可见

基类private成员在派生类中无论以什么方式继承都不可见。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的对象中，但语法上却限制了派生类对象去访问（类内类外都不可以）。
基类private成员在派生类中是不能被访问的，如果基类成员不想再类外直接访问，但需要在派生类内访问，就需要使用protected，保护成员限定符也是因继承才出现的。
总结：基类的私有成员在派生类中不可见，基类的其他成员在派生类中的访问方式为成员在基类中的访问方式和在派生类中的继承方式的较小值（public > protected > private）。
使用关键字class时默认继承方式为private，使用struct时默认继承方式为public，不过还是建议显示写出继承方式。
在实际运用中一般都是public继承，几乎很少使用 protected / private 继承，也不提倡使用，因为 protected / private 继承下来的成员都只能在派生类的类里使用，实际中扩展维护性不强。

继承类模板

namespace zy
{
	template<class T>
	class stack : public std::vector<T>
	{
	public:
		void push(const T & x)
		{
			// 基类是类模板时，调用基类成员需要指定类域
			// 否则会编译报错：error C3861: “push_back”: 找不到标识符
			// 因为stack<int> 实例化时，也实例化了vector<int>
			//但是模板是按需实例化，push_back等成员函数未实例化，所以找不到。
			vector<T>::push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			vector<T>::pop_back();
		}

		const T & top()
		{
			return vector<T>::back();
		}
		bool empty()
		{
			return vector<T>::empty();
		}
	};
}


int main()
{
	zy::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	return 0;
}

基类和派生类之间的转换

public继承的派生类对象可以赋值给基类对象的指针/基类对象的引用。这里有个形象的说法叫切片或切割。意思是把派生类中基类的那部分切出来，基类指针或引用指向的是派生类中切出来的基类的那部分。
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。这里了解即可，后面会专门讲这一块。

class Person
{
protected:
	string _name;	// 姓名
	string _sex;		// 性别
	int _age;			// 年龄
};

class Student : public Person
{
public:
	int _No;				// 学号
};

int main()
{
	Student sobj;
	// 1.派⽣类对象可以赋值给基类的指针/引用
	Person* pp = &sobj;
	Person& rp = sobj;

	// 派生类对象可以赋值给基类的对象是通过调用后⾯会讲解的基类的拷贝构造完成的
	Person pobj = sobj;

	// 2.基类对象不能复制给派生类对象，这里会编译报错。
	//sobj = pobj;

    return 0;
}

继承中的作用域

隐藏规则

在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
派生类和基类中有同名成员，派生类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏。（在派生类成员函数中，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，只需函数名相同就会构成隐藏。
注意在实际中的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
};
int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();
	return 0;
};

继承作用域相关的面试选择题

class A
{
public :
	void fun()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public :
	void fun(int i)
	{
		cout << "func(int i)" << i << endl;
	}
};
int main()
{
	B b;
	b.fun(10);
	b.fun();
	return 0;
};

1 、A和B类中的两个func构成什么关系（B）
A. 重载 B. 隐藏 C.没关系

解：因为父类与子类的成员函数同名，所以构成隐藏关系。这里容易误选重载，重载的规则是在同一作用域内的同名函数，因此这里不对。
2 、下⾯程序的编译运行结果是什么（A）
A. 编译报错 B. 运行报错 C. 正常运行

解：b对象调用fun(10)可以运行，但是因为父类中的fun()函数被隐藏了，b对象找不到fun()，所以这里会编译报错。想要调用必须显示调用：b.A::fun();

派生类的默认成员函数

4个常见默认成员函数

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=完成基类的赋值重载。需要注意的是派生类的operator=隐藏了基类的operator=，所以显示调用基类的operator=，需要指定基类作用域。
派生类的析构函数会在被调用完成后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用派生类构造。
派生类对象析构清理先调用派生类析构再调用基类析构。
因为多态中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(这个我们多态章节会讲解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理为 destructor()，所以基类析构函数不加 virtual 的情况下，派生类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。

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;
};

class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		:Person(name)
		,_num(num)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}
	Student(const Student& s)
		: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)
		{
			// 构成隐藏，所以需要显示调用
			Person::operator=(s);
			_num = s._num;
			return *this;
		}
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num;			// 学号
};

int main()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
	s1 = s3;
	return 0;
}

实现一个不能被继承的类

方法一：基类的构造函数私有，派生类的构成必须调用基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派生类不可见就不能调用了，那么派生类就无法实例化出对象。

方法二：C++11新增了一个final关键字，final修改基类，派生类就不能继承了。

// C++11的⽅法
class Base final
{
public :
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
private:
	// C++98的⽅法
	Base()
	{}
};

class Derive :public Base        //报错
{
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

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派生类私有和保护成员。

class Student;
class Person
{
public :
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	//friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected :
	int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;
	cout << s._stuNum << endl;
} 
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	// 编译报错：error C2248: “Student::_stuNum”: ⽆法访问 protected 成员
	// 解决⽅案：Display也变成Student 的友元即可
	Display(p, s);
	return 0;
}

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。无论派生出多少个派生类，都只有一个static成员实例。

class Person
{
public :
	string _name;
	static int _count;
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected :
	int _stuNum;
};
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	// 这里的运行结果可以看到非静态成员_name的地址是不⼀样的
	// 说明派生类继承下来了基类的成员，基类、派生类对象各有⼀份
	cout << &p._name << endl;
	cout << &s._name << endl;
	// 这里的运行结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的
	// 说明派生类和基类共用同⼀份静态成员
	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;
	// 公有的情况下，基类、派生类指定类域都可以访问静态成员
	cout << Person::_count << endl;
	cout << Student::_count << endl;
	return 0;
}

多继承与菱形继承问题

继承模型

单继承：一个派生类只有一个直接基类时，称这个继承关系为单继承。

多继承：一个派生类有两个或两个以上的直接基类时，成这个继承关系为多继承。多继承对象在内存中的模型是，先继承的基类在前面，后面继承的基类在后面，派生类成员放在最后面。

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问题。在Assistant的对象中Person成员会有两份。支持多继承就一定会有菱形继承，像java就直接不支持多继承，规避掉了这里的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。

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()
{
	// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	// 需要显⽰指定访问哪个基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";
	return 0;
}

虚继承

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，有了菱形继承就有了菱形虚拟继承，底层实现很复杂，性能也会有一些损失，所以最好不要设计出菱形继承。多继承可以认为是C++的缺陷之一，后来的一些编程语言都没有多继承，如java。

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; // 职⼯编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected :
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 使用虚继承，可以解决数据冗余和二义性
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	return 0;
}

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，无论是底层还是使用都会复杂很多。当然有多继承语法支持，就一定存在会设计出菱形继承，如iostream，像java是不支持多继承的，就避开了菱形继承。

class Person
{
public :
	Person(const char* name)
		: _name(name)
	{}
	string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
public :
	Student(const char* name, int num)
		: Person(name)
		, _num(num)
	{}
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
public :
	Teacher(const char* name, int id)
		: Person(name)
		, _id(id)
	{}
protected:
	int _id; // 职⼯编号
};
// 不要去玩菱形继承
class Assistant : public Student, public Teacher
{
public :
	Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3)
		: Person(name3)
		, Student(name1, 1)
		, Teacher(name2, 2)
	{}
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 思考⼀下这⾥a对象中_name是"张三", "李四", "王五"中的哪⼀个？
    // 答案是王五，因为Teacher是最后一个初始化的。
    // 虚拟继承后三个姓名会同时改变，因此最后一次修改的就是结果
	Assistant a("张三", "李四", "王五");
	return 0;
}

多继承中的指针偏移问题

1. 下面说法正确的是()

A：p1==p2==p3 B：p1<p2<p3 C：p1==p3!=p2 D：p1!=p2!=p3

class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main()
{
    Derive d;
    Base1* p1 = &d;
    Base2* p2 = &d;
    Derive* p3 = &d;
    return 0;
}

解：

根据多继承和切片的知识，p3指向d对象的起始地址，p1指向base1继承在Derive的地址，因为base1先构造，所以也是d对象的起始地址，base2 第二个构造，因此地址小于p1和p3。答案选C。

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，那么每个B对象中都有一个A对象。
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继承基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，基类的内部细节对派生类可见。继承一定程度破坏了基类的封装性，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保持每个类的封装性。
优先使用组合而不是继承。实际尽量多去用组合，组合耦合度低，代码维护性好。不过也没有那么绝对，类之间的关系如果只适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须用继承。类之间的关系既适合用继承也适合用组合的，推荐使用组合。

// Tire(轮胎)和Car(车)更符合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 _t1; // 轮胎
	Tire _t2; // 轮胎
	Tire _t3; // 轮胎
	Tire _t4; // 轮胎
};
class BMW : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};
// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class Benz : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};
template<class T>
class vector
{};
// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class stack : public vector<T>
{};
template<class T>
class stack
{
public :
	vector<T> _v;
};

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