目录
- 继承的概念及定义
- 继承的概念
- 继承的定义
- 定义格式
- 继承关系和访问限定符
- 继承基类成员访问方式的变化
- 基类和派生类对象的赋值转换
- 继承中的作用域
- 派生类的默认成员函数
- 继承和友元
- 继承与静态成员
- 复杂的菱形继承及菱形的虚拟继承
- 菱形继承的概念
- 虚拟继承
- **==虚拟继承的原理==**：
- 继承的总结和反思
- 继承和组合
继承的概念及定义
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，称为派生类。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。
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Person
{
public:
void print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name="peter";
int _age=18;
};
//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，这里体现了Student和Teacher复用了Person的成员。如果我们使用监视窗口查看Student和Teacher对象，可以看到变量的复用，调用Print可以看到成员函数的复用。
class Student :public Person//以public的方式继承Person类
{
protected:
int _Stuid;
};
class Teacher :public Person
{
protected:
int _Teaid;
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.print();
t.print();
return 0;
}
继承的定义
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。
继承关系和访问限定符
继承基类成员访问方式的变化
总结：
- 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，但是在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。
- 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。
- 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的。基类的其他成员在子类的访问形式==min（成员在基类的访问限定符，继承方式），public>protected>private。
- 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。
- 在实际应用中一般使用都是public继承，几乎很少使用protected/private继承，也不提倡使用protected/private继承，因为protected/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。
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变化
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Person
{
public:
void print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name="peter";
private:
int _age=18;
};
//class Student : protected Person
//class Student : private Person
//基类一般不采用protected和private的方式继承，因为这样基类的函数只能在派生类中使用，
//无法在类外使用
class Student :public Person//以public的方式继承Person类
{
void test()
{
cout << _name << endl;
//cout << _age << endl;//报错error，因为基类的私有成员在类内和类外都不可见
}
protected:
int _Stuid;
};
class Teacher :public Person
{
protected:
int _Teaid;
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.print();
t.print();
return 0;
}
基类和派生类对象的赋值转换
- 派生类对象可以赋值给基类的对象/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。
- 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。
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Person//基类
{
protected:
string _name;// 姓名
string _sex;// 性别
int _age;// 年龄
};
//派生类
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---切割
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;//报错error！
// 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; // 这种情况转换是可以的。
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;
}
继承中的作用域
- 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
- 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。这个时候编译器是以子类为优先。但是如果我们就是想要访问父类的该成员变量，就需要加上修饰（在子类成员函数中，可以使用基类::基类成员 显示访问）
- 需要注意的是如果成员函数隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。
- 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
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 << " 学号:" << _num<< endl;
cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;
}
protected:
int _num = 999; // 学号，派生类优先
};
如何区分函数重载和继承中的隐藏（重定义）以及函数覆盖?
我们首先来回顾一下构成函数重载的前提：
- 同一个作用域下
- 函数名必须相同
- 函数的参数类型不同 或者 个数不同 或者 顺序不同
- 注意函数的返回值不能作为函数重载的条件
函数重载：使得函数名相同，提高函数的复用性
函数覆盖：发生在子类和父类之间，如果子类的函数与父类的函数，名称和参数完全相同，且基类函数必须使用virtual关键字修饰，则发生覆盖。借助于虚函数可以实现多态性。
函数隐藏：因为派生类函数和基类函数不满足在同一作用域这个条件，所以两者的成员函数并不构成函数重载，如果派生类函数与基类函数同名，但参数不同，此时，无论是否有virtual关键字，基类的所有同名函数都将被隐藏，而不会重载，因为不在同一个类中；
如果派生类函数与基类函数同名，且参数也相同，但基类函数没有用virtual关键字声明，则基类的所有同名函数都将被隐藏，而不会覆盖，因为没有声明为虚函数。
那么，函数隐藏的应用场景是什么：假若没有隐藏机制,改变基类实现将有可能影响到子类已经正常工作的代码出现未预料的行为,这不是我们希望看到的.
举例：以下代码的两个func函数不是构成函数重载，而是构成隐藏（重定义）。
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "A::func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
cout << "B::func(int i)->" << i << endl;
}
};
void Test()
{
B b;
b.fun(10);
};
例如，对于以下代码，调用成员函数fun时将直接调用子类当中的fun，若想调用父类当中的fun，则需使用作用域限定符指定类域。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//父类
class Person
{
public:
void fun(int x)
{
cout << x << endl;
}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
void fun(double x)
{
cout << x << endl;
}
};
int main()
{
Student s;
s.fun(3.14); //直接调用子类当中的成员函数fun
s.Person::fun(20); //指定调用父类当中的成员函数fun
return 0;
}
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，编译器会给我们自动生成一个，那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？
- 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函数基类的拷贝初始化。
- 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
- 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在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。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destructor(),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。
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Person
{
public:
Person(const char* name)//构造函数
: _name(name)
{
cout << "Person()" << endl;
}
Person(const Person& p)//拷贝构造函数
: _name(p._name)
{
cout << "Person(const Person& p)" << endl;
}
Person& operator=(const Person& p)//赋值重载函数
{
cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
if (this != &p)
_name = p._name;
return *this;
}
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
protected:
string _name; // 姓名
};
// 派生类中
// 1、构造函数，父类成员调用父类的构造函数完成初始化
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)
{
Person::operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
protected:
int _num; //学号
};
int main()
{
Student s1("张三", 18);
Student s2(s1);
Student s3("李四", 20);
s1 = s3;
return 0;
}
继承和友元
基类的友元函数不能继承，也就是说基类的友元函数不能访问子类的保护或私有成员。
#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
friend void Show(const Person& p, class Student& s);
protected:
int _age;
};
void Show(const Person& p,class Student& s)
{
cout << p._age << endl;
//cout << s._age << endl;//这里会报错：使用了未定义类型的Student，
//因为友元函数没有继承到子类，无法访问到子类的保护或私有成员
}
class Student: public Person
{
friend void Show(const Person& p, class Student& s);
protected:
int _id;
};
int main()
{
Person p;
Student s;
Show(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。无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例。因为静态成员属于整个类，而不是属于某个对象，同时也属于所有派生类及其对象。
//继承与静态成员
#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
Person()
{
_count++;
}
void Print()//这里有隐藏的this指针
{
cout << this << endl;
}
protected:
string _name;
public:
static int _count;
};
//静态成员变量属于整个类，而不是单独属于某个对象，它同时也属于派生类及其对象
int Person::_count = 0;//在类外初始化静态变量
class Student: public Person
{
protected:
int _id;
};
class Graduate :public Student
{
protected:
int _num;
};
int main()
{
Person p;
Student s;
cout << p._count << endl;//2
cout << s._count << endl;//2
cout << &p._count << endl;//地址相同
cout << &s._count << endl;
Graduate g;
cout << g._count << endl;//3
cout << &g._count << endl;//地址相同
cout << Person::_count << endl;//3
//需要注意的特殊情况:空指针
Person* ptr = nullptr;
cout << ptr->_count << endl;//ok,因为这里将nullptr传给this指针，并没有对this指针进行解引用访问对象里面的成员
ptr->Print();//ok,Person类中的Print函数只是打印this的地址，并没有访问对象中的成员
//cout << ptr->_name << endl; // no,因为访问到对象里面的成员了
//与以上一样的原因
(*ptr).Print(); // ok
cout << (*ptr)._count << endl; // ok
return 0;
}
复杂的菱形继承及菱形的虚拟继承
菱形继承的概念
单继承：当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：当一个子类有两个或两个以上的直接父类时称这个继承关系为多继承
菱形继承：是多继承的一种特殊情况。
菱形继承存在的问题：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。
下列的代码是菱形继承出现的典型问题：代码冗余和二义性。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
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()
{
Assistant a;
//这里会报错
a._name = "peter"; //二义性：无法明确知道要访问哪一个_name
return 0;
}
Assistant对象是多继承的Student和Teacher，而Student和Teacher当中都继承了Person，因此Student和Teacher当中都有_name成员，若是直接访问Assistant对象的_name成员会出现访问不明确的报错。
对于此，我们可以显示指定访问Assistant哪个父类的_name成员。
//显示指定访问哪个父类的成员
a.Student::_name = "张同学";
a.Teacher::_name = "张老师";
这种显示指定类域的方法可以解决二义性的问题，但是依然解决不了菱形继承数据冗余的问题。下面引出虚拟继承。
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。使用方法：在Student和Teacher继承Person时使用虚拟继承virtual，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。
之后就算我们指定访问Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员，访问到的都是同一个结果，同一块地址，这解决了二义性的问题。
#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：
为了研究虚拟继承原理，我们给出了一个简化的菱形继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型
虚拟继承的原理结构较复杂，所以我们先看看不使用菱形虚拟继承，观察以下菱形继承当中D类对象的各个成员在内存中的发布情况。
测试代码如下：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
int _a;
};
class B : public A
{
public:
int _b;
};
class C : 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;
}
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。
现在我们再来看看使用菱形虚拟继承时，以下菱形继承当中D类对象的各个成员在内存当中的分布情况。
测试代码：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
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;
}
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。虚基表中存的是偏移量，B和C通过这个偏移量可以找到下面的A。第二个数据就是当前类对象位置距离公共虚基类的偏移量。
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。
D d;
B b = d; //切片行为
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。
- 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
- 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。
如男人（Man）是人（Human）的一种，女人（Woman）是人的一种。那么类Man 可以从类Human 派生，类Woman也可以从类Human 派生。示例程序如下：
class Human
{
…
};
class Man : public Human
{
…
};
class Woman : public Human
{
…
};
- 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。
例如眼（Eye）、鼻（Nose）、口（Mouth）、耳（Ear）是头（Head）的一部分，所以类Head 应该由类Eye、Nose、Mouth、Ear 组合而成，不是派生而成。示例程序如下：
class Eye
{
public:
void Look(void);
};
class Nose
{
public:
void Smell(void);
};
class Mouth
{
public:
void Eat(void);
};
class Ear
{
public:
void Listen(void);
};
// 正确的设计，冗长的程序
class Head
{
public:
void Look(void) { m_eye.Look(); }
void Smell(void) { m_nose.Smell(); }
void Eat(void) { m_mouth.Eat(); }
void Listen(void) { m_ear.Listen(); }
private:
Eye m_eye;
Nose m_nose;
Mouth m_mouth;
Ear m_ear;
};
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
原因：
- 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。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。所以继承在一定程度上破坏了基类的封装。并且基类的改变，对派生类有很大的影响，即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，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被封装。
- 实际中尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有些关系适合用继承就用继承，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。
