[C++历练之路]C++中的继承小学问

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🍔前言：

C++中，继承是一种面向对象编程的重要概念，它允许一个类（子类/派生类）从另一个类（父类/基类）继承属性和方法。继承是代码重用和抽象的关键机制之一，它允许你创建一个新的类，基于已有类的结构和行为，并且可以在新类中添加、修改或继承父类的成员。在这篇文章中，我们将深入探讨C++中继承的各个方面，包括基本概念、不同类型的继承、访问控制、虚函数、多重继承以及一些最佳实践。

1.继承的概念及定义

1.1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。

用通俗的话术来说，当我们想要建立一个图书管理系统时，需要许多对象的引入。老师、学生……他们直接有一些共同点，也有一些不同点。我们可以单独的为此创建对象，也可以将其进行复用，利用继承进行创建。

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Person
{
public:
	void print()
	{
		cout << _name << ' ' << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "why";
	int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
private:
	int _stuid;
};
class Techer : public Person
{
private:
	int _terid;
};

上述代码就是很好的继承，我们先创建了Person对象，这指一个大类。里面的成员就有老师同学的共同属性，比如姓名、年龄……而我们建立学生对象以及老师对象时就可以继承Person对象中的内容进行。

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。

我们也可以不写继承方式，class的默认继承方式为private，struct的继承方式为public。

上面就是一般继承的格式。

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

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：
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. 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

2.基类和派生类对象赋值转换

派生类对象可以赋值给类的对象 / 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。（某种特殊化可以进行）
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。

double a = 1.0;
const int& b = a;

如果没有const就会报错，因为临时变量具有常性。

在一般情况下变量进行赋值或比较时都会进行一种无形的临时拷贝对象，让临时拷贝的对象进行操作。但是在基类与派生类的赋值转换会进行特殊处理，不会进行临时拷贝。

class Person
{
public:
	void print()
	{
		cout << _name << ' ' << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "why";
	int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
private:
	int _stuid;
};
class Techer : public Person
{
private:
	int _terid;
};
int main()
{
	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;
 
    //2.基类对象不能赋值给派生类对象
    sobj = pobj;
 
    // 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;
	return 0;
	
}

注意：这里的引用与指针，只是将父类有的进行赋值，他们指向的也都是父类有的变量。

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。

所以在继承中，一个子类与一个父类是可以有相同的变量名称以及相同的函数名称的。

class Person
{
protected :
string _name = "why"; // 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
};

函数名相同举例：

// 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
// 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。
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
A::fun();
cout << "func(int i)->" <<i<<endl;
}
};
int main()
{
    A a;
    B b;
    b.fun(1);
    b.fun();//报错
    b.A::fun();
    return 0;
}

函数名相同后会将父类中的函数进行隐藏，即使函数的参数与父类中的函数更匹配，编译器还是会报错。所以我们应该在中间加上域名来寻找。

4.派生类的默认成员函数

我们先来看一下成员函数有哪些：

对于父类我们就可以直接认为是一种普通类，而子类却有一些不同之处：

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。
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。
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. 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
6. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
7. 因为后续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(这个我们后面会讲
解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()，所以父类析构函数不加
virtual的情况下，子类析构函数和父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 ; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public :
Student(const char* name, int num)
: Person(name )
, _num(num )
{
cout<<"Student()" <<endl;
}
Student(const Student& s)
: Person(s)//C++规定必须这样写才可以调用父类构造函数，并且不能在子类中写父类成员的构造
, _num(s ._num)
{
cout<<"Student(const Student& s)" <<endl ;
}
Student& operator = (const Student& s )
{
cout<<"Student& operator= (const Student& s)"<< endl;
if (this != &s)
{
Person::operator =(s);//调用父类的拷贝构造函数，s会在父类调用时指向父类仅有部分。
_num = s ._num;
}
return *this ;
}
// 子类的析构函数和父类的析构函数构成隐藏关系
//	// 由于后面多态原因，析构函数被特殊处理，函数名都会被处理destructor()
//	// 为了保证先子后父，父类的析构会在子类析构后自动调用
~Student()
{
//~Person();
cout<<"~Student()" <<endl;
}
protected :
int _num ; //学号
};
void Test ()
{
Student s1 ("jack", 18);
Student s2 (s1);
Student s3 ("rose", 17);
s1 = s3 ;
}

总结：派生这些默认成员函数规则，其实跟以前类似，唯一不同的是，不管是构造初始化/拷贝/析构，多了父类那一部分，原则：父类那部分调用父类的对应函数完成。

而在构造函数时，编译器默认先构造父类成员再构造子类成员，在析构函数中是先析构子类成员再进行析构父类成员，这样做是正确且没有安全隐患的。因为子类是可以去访问父类成员，而父类却无法访问(在public继承方式中），当我们先析构父类时，子类可以继续访问父类成员，会出现访问野指针的情况，构造也如此。所以在子类析构时，会自动调用父类的构造不能进行显式析构。

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。

class Student;
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name ="why"; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	int _stuNum = 1; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;
	cout << s._stuNum << endl;
}
void main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
}

在子类与父类中全部声明友元函数即可访问所有成员。

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。

class Person
{
public :
Person () {++ _count ;}
protected :
string _name ; // 姓名
public :
static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person :: _count = 0;
class Student : public Person
{
protected :
int _stuNum ; // 学号
};
class Graduate : public Student
{
protected :
string _seminarCourse ; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
Student s1 ;
Student s2 ;
Student s3 ;
Graduate s4 ;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
Student ::_count = 0;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}

所以静态成员放在父类，就可以统计创建了多少个关于父类的对象，只要是继承都算。

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。

前面的单继承与多继承都是非常好理解的，最开始我们使用Person类、Student类与Techer类都是多继承。但是菱形继承就会出现问题。

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
};
void Test()
{
	// 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";
	// 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";
}

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。

我们可以指定类域进行解决，但是名字可以有不同的”外号“，但是如果在父类中有年龄、性别等独一份的个人信息我们应该怎么办？

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。

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
};
void Test ()
{
Assistant a ;
a._name = "peter";
}

使用virtual关键字，加在会出现二义性类的父类上即可解决问题。

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。

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

上述是没有使用虚拟继承时各个类存储的位置，我们可以看出C类与B类都存储了一个A类中的变量。

现在我们使用virtual进行虚拟继承：

我们可以看出B类与C类将自己的变量进行存储后还存储了个地址，顺着地址我们可以看出其对应存储的数据加上自己类存储的地址就是A类的地址，所以虚拟继承时不仅会存储自己的数据还会有一个指针指向一个虚基表，这个虚基表就是各个类的地址距离A的偏移量。

为什么要这么存储呢？因为虚继承中的对象没有直接存储A的内容，其将A放到一个公共区域，无论是指针指向哪都可以找到A的位置，方便切片。

8.继承的总结和反思

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。
3. 继承和组合
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。https://www.cnblogs.com/nexiyi/archive/2013/06/16/3138568.html
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。