C++ 继承

C++
发布日期:   2022-09-27

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C++继承

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继承概念

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。image-20220619211217322

继承定义

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。

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继承关系和访问限定符

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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
父类public成员 子类public成员 子类protected成员 子类private成员
父类protected成员 子类protected成员 子类protected成员 子类private成员
父类private成员 子类不可见 子类不可见 子类不可见

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。

    1. 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。

  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。

子类和父类对象赋值转换

子类对象 可以赋值给 父类的对象 / 父类的指针 / 父类的引用。这里有个形象的说法叫切片或者切割。寓意把子类中父类那部分切来赋值过去。

父类不能转化为子类

父类的指针可以通过强制类型转换赋值给子类的指针。但是必须是父类的指针是指向子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。

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小结：

子类对象可以赋值给父类对象
子类对象可以赋值给父类指针/引用
父类对象不可以赋值给子类对象
父类指针可以cast赋值给子类指针

继承中的作用域

  1. 在继承体系中父类和子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。

例如，对于以下代码，访问成员_num时将访问到子类当中的_num。

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 << " 身份号:" << Person::_num << endl;
		cout << " 学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

若此时我们就是要访问父类当中的_num成员，我们可以使用作用域限定符进行指定访问。

void fun()
{
	cout << Person::_num << endl; //指定访问父类当中的_num成员
}

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。

特别注意： 代码当中，父类中的fun和子类中的fun不是构成函数重载，因为函数重载要求两个函数在同一作用域，而此时这两个fun函数并不在同一作用域。为了避免类似问题，实际在继承体系当中最好不要定义同名的成员。

派生类的默认成员函数

6个默认成员函数，**”默认”**的意思就是指我们不写，编译器会变我们自动生成一个，那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？

  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。如果父类没有默认的构造函数，则必须在子类构造函数的初始化列表阶段显示调用。
  2. 子类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成父类的拷贝初始化。
  3. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
  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。
  5. 子类对象初始化先调用父类构造再调子类构造。
  6. 子类对象析构清理时先调用子类析构再调父类的析构。

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构造函数

//父类构造函数	
Person(const char* name)
		: _name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}
//子类构造函数
Student(const char* name, int id)
	: Person(name)
	,_id(id)
{
	// 调用父类构造函数初始化继承的父类部分
	// 再初始化自己的成员
	cout << "Student()" << endl;
}

拷贝构造函数
把子类对象传给父类进行切割

//父类
Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}
//子类
Student(const Student& s)
		:Person(s)  // ->s传递给Person& s 是一个切片行为
		, _id(s._id)
	{
		// 类似构造函数
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}

赋值运算符重载

//父类
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;
		return *this;
	}
//子类
	// s1 = s3;
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		// 同上
		if (this != &s)
		{
			// 小心这里是隐藏，我要调用父类的
			Person::operator=(s);
			_id = s._id;
		}
		cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
		return *this;
	}

析构

注意这里构成隐藏，多态的时候会导致父子类的构造函数被变成了同名，就构成了隐藏，所以调用父类的时候需要作用域调用

析构函数很特殊，如果在子类的析构函数中调用了父类的析构函数，析构子类会被调用两次析构

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这不太对，正常来说应该是要先析构子类的再去析构父类的，顺序错了，那么编译器为了保证先子再父，所以编译器自动调用了一次父析构

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//父类
~Person() // -> 因为后面多态的一些原因，任何类析构函数名都会被统一处理成destructor()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
//子类
// -> 因为后面多态的一些原因，任何类析构函数名都会被统一处理成destructor()
~Student() // 编译器认为子类的析构函数和父类的析构函数构成隐藏
	{
		//Person::~Person(); // 所以这里想调用，需要指定父类的
		// 清理自己的
		// delete ptr;
		cout << "~Student()"<<endl;
		// 为了保证析构时，保持先子再父的后进先出的顺序析构
		// 子类析构函数完成后，会自动去调用父类的析构函数
	}

所以说就是这块不用自己调父亲的了，注意只用管把自己的子类的多出来的要析构的析构就可以了

小结

在编写派生类的默认成员函数时，需要注意以下几点：

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。

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。

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。

注意：

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。

继承与友元

友元关系不能继承，也就是说父类友元不能访问子类私有和保护成员

若想让函数也能够访问派生类的私有和保护成员，只能在派生类当中进行友元声明。

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 。

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。

复杂的继承

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

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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

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菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。

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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。

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虚拟继承

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。

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

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#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;
}

虚拟继承的原理

菱形继承的二义性

为了研究虚拟继承原理，我们给出了一个简化的菱形继承继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型。

下图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余

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那么D中的对象就应该是这样的

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这里就可以看出为什么菱形继承导致了数据冗余和二义性，根本原因就是D类对象当中含有两个_a成员。

菱形虚拟继承的解决策略

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A 同时属于B和C

那么B和C如何去找到公共的A呢？这里是通过了B和C的两个指针，指向的一张表。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。

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对于公共的A编译器的选择是把它放到了最下面,然后同样观察可得，B和C的值上面有独特的指针，指向一个表，B和C怎么找A，绝对地址不太好，于是存了下相对地址，可以找到每一个B和C都可以通过自己的偏移量找到A了

这是大概的一个关系图：

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我们若是将D类对象赋值给B类对象，在这个切片过程中，就需要通过虚基表中的第二个数据找到公共虚基类A的成员，得到切片后该B类对象在内存中仍然保持这种分布情况。

小结：

不得不说虽然虚继承补了菱形继承的坑，但是也会出了很大的代价

  1. 对象模型复杂，学习成本很高，理解成本很高
  2. 有一定效率的影响

继承的总结和反思

  1. 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 菱形虚拟继承，底层实现就很复杂。所以一般不建议设计出多继承，一定不要设计出菱形继承。否则在 复杂度及性能上都有问题。

  2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO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，皮卡丘类和电属性pokemon就是is-a的关系，它们之间适合使用继承。

class Electric_Pokemon
{
    string GetType()
    {
        return _type;
    }
public:
	string _type = electric; //属性	
};
class Pikachu : public Electric_Pokemon
{
public:
	string GetType()
    {
        return _type;
    }
};

而head类和eye之间就是has-a的关系，它们之间则适合使用组合。

class Eye
{
protected:
	string eye;
};
class Head
{
protected:
	string head;
	Eye _eyeleft; 
    Eye _eyeright; 
};

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。

白象复用和黑箱复用

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。

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。

实际中尽量多使用组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也是有用武之地的，有些关系就适合用继承，另外要实现多态也必须要继承。若是类之间的关系既可以用继承，又可以用组合，则优先使用组合。

软件设计类之间关系或者模块强调：高内聚，低耦合

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c++不提倡使用内部类,内部类一般就是说我不想让其他人用

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。

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。

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// 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
};

宝马是车，车有轮胎

补充

重写，重载，隐藏的区别

C++规定在同一作用域中，同名函数的形式参数（指参数的个数、类型或者顺序）不同时，构成函数重载

函数隐藏指不同作用域中定义的同名函数构成函数隐藏（不要求函数返回值和函数参数类型相同）。比如派生类成员函数屏蔽与其同名的基类成员函数、类成员函数屏蔽全局外部函数。

函数覆盖就是函数重写。请注意，如果在派生类中存在与基类虚函数同返回值、同名且同形参的函数，则构成函数重写。派生类中与基类同返回值类型、同名和同参数的虚函数重定义，构成虚函数覆盖，也叫虚函数重写。

三者 作用域 有无virtual 函数名 形参列表 返回值类型
重载 相同 可有可无 相同 不同 可同可不同
隐藏 不同 可有可无 相同 可同可不同 可同可不同
重写 不同 有 相同 相同 相同（协变）

Test

下面关于继承说法不正确的是（C）

A.继承可以使用现有类的所有功能，并在无需重新编写原来类的情况下对这些功能进行扩展

B.继承体系中子类必须要体现出与基类的不同

C.子类对象一定比基类对象大

D.继承呈现了面相对象程序设计的层次结构，体现了有简单到复杂的认知过程

A.这是继承的功能，也是代码复用的体现

B.继承除了吸收基类成员之外，一般还需要扩充自己的数据成员，跟基类有所不一样

C.不一定，有可能子类只是改写父类的方法而已，并没有增加其自身的数据成员，则大小一样，故错误

D.继承体现了一定的层次结构和认知过程

下面关于访问权限与继承权限说法不正确的是（D）

A.访问权限和继承权限是不同的概念

B.访问权限和继承权限关键字上是一样的，但是出现位置不一样

C.如果是protected继承方式，基类public的成员变量能通过基类对象在类外直接访问

D.基类私有的成员变量在子类中都不能直接访问，因为没有被子类继承了

A.两个权限控制的东西不一样

B.访问权限在类内部，继承权限在类外

C.只要是public成员对象都可以直接访问

D.基类私有成员不能直接访问不是没有被继承，而是权限问题

下面代码输出结果：(D)

class A
{
    public:
    void f(){ cout<<"A::f()"<<endl; }
    int a;  
};

class B : public A
{
    public:
    void f(int a){cout<<"B::f()"<<endl;}
    int a;
};

int main()
{
    B b;
    b.f();
    return 0;
}

A.错误

B.错误

C.不能通过编译是正确的，不过原因不是因为成员变量a的问题，而是子类同名隐藏了父类方法的原因

D.很显然以上说法都不对

A.错误

B.错误

C.不能通过编译是正确的，不过原因不是因为成员变量a的问题，而是子类同名隐藏了父类方法的原因

D.很显然以上说法都不对

关于派生类构造函数与析构函数说法正确的是（A）

A.在派生类对象构造时，先调用基类构造函数，后调用子类构造函数

B.在派生构造函数初始化列表的位置必须显式调用基类构造函数

C.在派生类对象销毁时，先调用基类析构函数，后调用子类析构函数

D.派生类的析构函数只需析构派生类的资源即可

关于基类与派生类对象模型说法正确的是（E）

A.基类对象中包含了所有基类的成员变量

B.子类对象中不仅包含了所有基类成员变量，也包含了所有子类成员变量

C.子类对象中没有包含基类的私有成员

D.基类的静态成员可以不包含在子类对象中

E.以上说法都不对

A.静态变量就不被包含

B.同理，静态变量就不被包含

C.父类所有成员都要被继承，因此包含了

D.静态成员一定是不被包含在对象中的

E.很显然，以上说法都不正确

关于基类与子类对象之间赋值说法不正确的是（B）

A.基类指针可以直接指向子类对象

B.基类对象可以直接赋值给子类对象

C.子类对象的引用不能引用基类的对象

D.子类对象可以直接赋值给基类对象

A.这是赋值兼容规则的其中一条，正确

B.基类不能给子类对象直接赋值，因为父类类型对于子类类型来说类型不完全，故错误

C.不能用父类初始化子类引用

D.这也是赋值兼容规则的其中一条

下面哪项结果是正确的（C）

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;
}

A.p1 == p2 == p3

B.p1 < p2 < p3

C.p1 == p3 != p2

D.p1 != p2 != p3

分析:p1和p2虽然都是其父类，但在子类内存模型中，其位置不同，所以p1和p2所指子类的位置也不相同，因此p1!=p2,

由于p1对象是第一个被继承的父类类型，所有其地址与子类对象的地址p3所指位置都为子类对象的起始位置，因此p1==p3,所以C正确

关于以下菱形继承说法不正确的是（C）

class B {public: int b;};

class C1: public B {public: int c1;};

class C2: public B {public: int c2;};

class D : public C1, public C2 {public: int d;};

A.D总共占了20个字节

B.B中的内容总共在D对象中存储了两份

C.D对象可以直接访问从基类继承的b成员

D.菱形继承存在二义性问题，尽量避免设计菱形继承

A.C1中b和c1共8个字节，C2中c2和b共8个字节，D自身成员d 4个字节，一共20字节

B.由于菱形继承，最终的父类B在D中有两份

C.子类对象不能直接访问最顶层基类B中继承下来的b成员，因为在D对象中，b有两份，一份是从C1中继承的，一份是从C2中继承的，直接通过D的对象访问b会存在二义性问题，在访问时候，可以加类名::b，来告诉编译器想要访问C1还是C2中继承下来的b。

D.菱形继承存在二义性问题，尽量避免设计菱形继承，如果真有需要，一般采用虚拟继承减少数据冗余

常见笔试面试题

  1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

  2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的

  3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

参考资料：

C++中函数重载、隐藏、覆盖和重写的区别

https://blog.csdn.net/chenlong_cxy/article/details/120444215

文章作者: Allen
文章链接: https://allen9012.github.io/BlogNet/BlogNet/2022/09/27/C-%E7%BB%A7%E6%89%BF/
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外，均采用 CC BY 4.0 许可协议。转载请注明来源 Allen !
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