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43 继承

article 2025/1/26 14:11:46

一、继承的概念与定义

（一）继承的概念

（二）继承定义

1、定义格式

2、继承基类成员访问的变化

（三）继承类模板

二、基类和派生类间的转换

三、继承中的作用域

四、派生类的默认成员函数

（一）4个常见的默认成员函数

（二）实现不能被继承的类

五、继承与友元

六、继承与静态成员

七、多继承以及菱形继承问题

（一）继承模型

（二）虚继承

（三）多继承指针偏移问题

（四）IO库中的菱形虚拟继承

八、继承和组合

一、继承的概念与定义

（一）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，它允许我们在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加【方法(成员函数)】和【属性(成员变量)】，这样产生新的类，称派生类（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。以前我们接触的函数层次的复用，继承是类设计层次的复用。

演示代码如下所示：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include<iostream>
using namespace std;

class Person
{
public:
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		cout << "void identity()" << _name << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 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 Teacher : public Person
{
public:
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string title; // 职称
};

int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.identity();
	t.identity();
	return 0;
}

注意：子类继承了父类成员后为独一份，即子类所继承的父类成员的地址与父类成员的地址不同，但父类中的静态成员被继承后与子类共用一份。

（二）继承定义

1、定义格式

下面的Person是基类，也称作父类。Student是派生类，也称作子类。(因为翻译的原因，所以既叫基类/派生类，也叫父类/子类)

2、继承基类成员访问的变化

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（已被继承，只是权限不够）。所以想要被继承使用的成员就不要定义为私有的。

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，基类的私有成员在派生类都是不可见。基类的其他成员在派生类的访问方式为： 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。

演示代码如下：

// 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
};

注意：最常用的组合的组合如下，public还是public，protect还是protect。

（三）继承类模板

namespace zyb
{
	//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>
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域，
			// 否则编译报错:error C3861: “push_back”: 找不到标识符
			// 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了
			// 但是模版是按需实例化，vector<T>的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();
		}
	};
}

注意：

在【带有模版参数的模版】中，进行【取模版中的成员】时不加typename是编译不过的，因为取的参数可能是静态成员也可能是内嵌类型（内部类，typedef），而通过模版参数进行取成员时，编译器不知道去哪找，因为类模板没有进行实例化，加上typename就相当于告诉编译器后面接着的是类型。（没有实例化的类模板是不能去找成员的）如下图所示：

有另一种解决方法：直接使用auto

二、基类和派生类间的转换

① 【public继承的派生类对象】可以赋值给【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。寓意把派生类中基类那部分切出来，基类指针或引用指向的是派⽣类中切出来的基类那部分。这种方法又可以称为赋值兼容转换，是一种特殊处理，这个过程没有产生临时变量（表达式运算、类型装换会产生临时变量），就不用使用const修饰。

为什么叫做切片，因为指针类型决定了【解引用时可以操作多少个字节】，子类对象赋值给父类指针的话，指针的类型是父类的类型，也决定了在子类对象中可以操作的范围就是父类对象的范围，就把属于父类成员那一部分切出来了。引用也同理，父类类型决定了可以操作的字节大小，也把父类成员那一部分切出来了。

② 基类对象不能赋值给派生类对象；但派生类对象可以赋值给基类对象，这样就会把基类部分切出来然后拷贝过去（这不是切片，切片专指派生类对象赋值给基类的指针/引用）。

③ 【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。这点后续再详细讲解。

演示代码如下：

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

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

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基类的拷贝构造完成的
	Person pobj = sobj;
	//2.基类对象不能赋值给派生类对象，这里会编译报错
	sobj = pobj;
	return 0;
}

三、继承中的作用域

隐藏规则如下：

① 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。

② 派生类和基类中有同名成员，派生类成员将屏蔽基类的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）

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。

演示代码如下：

// 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;
};

⑤ 相关练习题：

（①）A和B类中的两个func构成什么关系（）

A. 重载 B. 隐藏 C.没关系

（②）下面程序的编译运行结果是什么（）

A. 编译报错 B. 运行报错 C. 正常运行

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;
};

答案为：B、A

四、派生类的默认成员函数

（一）4个常见的默认成员函数

① 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。

子类成员：内置类型（有缺省值就用，没有就不确定）和自定义类型（默认构造），子类继承的父类，就会把父类看作是一个整体（像一个成员函数），父类成员必须调用父类默认构造。在子类中对父类成员进行构造的时候，不能直接写父类的成员，要把父类看作是一个整体进行初始化，就像创造匿名对象一样：

注意：

构造函数一般都需要自己写。
初始列表会根据声明的顺序进行初始化，会先初始化Person类。
父类的构造是默认生成的话，就不需要在子类中显示写。

② 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。

子类成员：内置类型（值拷贝）和自定义类型（这个类型的拷贝构造）+ 父类成员（必须调用父类拷贝构造），在没有申请资源的情况下拷贝构造用默认生成的是足够的。

如果要自己写的情况：

③ 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。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。

赋值重载类似于拷贝构造，没有申请资源的情况下不自己写也是可以的。若要自己写：

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。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。

子类成员：内置类型（不处理）和自定义类型（调用他的析构）+ 父类成员（调用他的析构）。

在这个例子中不需要写，没有指向资源，成员变量中的string类型会调用他自己的析构函数，父类成员会调用自己的析构函数。默认生成的析构函数就够用。

若有资源就需要显示地写：

但这样调不到父类的构造函数，由于多态的原因，析构函数的函数名会做特殊处理为：destructor()，这样父类与子类的构造函数就构成了隐藏关系，需要加上virtual（后面详细讲）。现在的改法就是指定域调用，修改如下：

但这样子类被析构一次，父类就会析构两次：

这是因为由于规定等原因，需要先析构子类，再析构父类。

但自己写无法保证先子后父，所以编译器就不需要我们自己写父类的析构函数，在子类完成调用后会自动完成父类的析构函数的调用。（构造是先父后子，析构是先子后父）

总结：自己实现的话，不需要显示调用父类析构，子类析构函数结束后，会自动调用父类析构。

⑤ 整体总结：一般情况下，子类写构造函数即可，拷贝构造、赋值重载和析构不需要自己写，若需要写析构就要自己写拷贝构造、赋值重载。与之前不同的是在子类中多出一个父类成员，父类成员当做一个整体，去调用父类中的成员完成所需的任务即可，关于父类的显示写：构造、拷贝构造、赋值重载需要显示调用，而析构不用。

（二）实现不能被继承的类

① 在c++98中，把构造函数私有化，因为子类构造要调用父类的构造，但父类构造私有化了在子类中就不可用，父类就不行能进行初始化，进而父类间接地不能被继承。

② c++11中新增final关键字，加在类名后面，就表示这个是最终类，直接得表示这个不能被继承：

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
{
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;
}

六、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，静态成员不被包含在父类或子类的对象中，是属于整个类的。

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，⽗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，基类和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;
}

子类继承下来的成员和父类的成员是分开两份的（地址不同），但子类继承父类的公开的静态成员是一份（地址相同），可以任意使用父类或子类的域来进行静态成员的访问。

七、多继承以及菱形继承问题

（一）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以上直接基类时称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，派生类成员在放到最后面。

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的问题，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。

此时Assistant的对象不能直接访问最顶层基类Person中继承下来的成员。

（二）虚继承

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，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。

虚继承的演示代码如下：

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	/*int _tel;int _age;
string _gender;
string _address;*/
// ...
};

// 虚继承Person类
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};

// 虚继承Person类
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};

// 教授助理
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;
}

注意：虚继承是放在腰部的位置，即student类与teacher类。但这样也有很多坑，所以只能从根本上解决：不使用菱形继承，而多继承可以。

上图处虚继承应该放在B、C处

（三）多继承指针偏移问题

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;
}

解析：答案选C。

（四）IO库中的菱形虚拟继承

C++菱形继承的应用：

template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>
class basic_ostream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};

template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>
class basic_istream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};

八、继承和组合

① 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（每个子类都是一个特殊的父类对象）。

② 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（）。

class A {};

class B {private: A _a;};

③ 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关系很强，耦合度高。

④ 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建的。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。

⑤ 优先使用组合，而不是继承。实际尽量多去用组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过也不太那么绝对，类之间的关系就适合继承(is-a)那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系既适合⽤继承(is-a)也适合组合(has-a)，就用组合。

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