★ C++进阶篇 ★ 继承

Ciallo～(∠・ω< )⌒☆ ~ 今天，我将继续和大家一起学习C++进阶篇第一章----继承 ~

一继承的概念及定义

1.1 继承的概念

1.2 继承定义

1.2.1 定义格式

1.2.2 继承⽗类成员访问⽅式的变化

1.3 继承类模板

二父类和子类对象赋值兼容转换

三继承中的作用域

3.1 隐藏规则

3.2 继承作用域相关选择题

四子类的默认成员函数

4.1 4个常见默认成员函数

4.2 实现⼀个不能被继承的类

五继承与友元

六继承与静态成员

七多继承及其菱形继承问题

7.1 继承模型

7.2 虚继承

7.3 IO库中的菱形虚拟继承

7.4 多继承中指针偏移问题

八继承和组合

一继承的概念及定义

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。

比如我们要设计两个类Student和Teacher，Student和Teacher都有姓名/地址/电话/年龄等成员变量，都有identity身份认证的成员函数，设计到两个类⾥⾯就是冗余的。当然他们也有⼀些不同的成员变量和函数，⽐如⽼师独有成员变量是职称，学⽣的独有成员变量是学号；学⽣的独有成员函数是学习，⽼师的独有成员函数是授课。那么，我们就可以把公共的成员都放到Person类中，Student和teacher都继承Person，就可以复⽤这些成员，就不需要重复定义了，省去了很多⿇烦。

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
};

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。

1.2.2 继承⽗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
父类的public成员	子类的public成员	子类的protected成员	子类的private成员
父类的protected成员	子类的protected成员	子类的protected成员	子类的private成员
父类的private成员	在子类中不可见	在子类中不可见	在子类中不可见

（父类的private成员在子类中不可见，其他取小的）

1. 父类private成员在子类中无论以什么方式继承都是不可见的。这里的不可⻅是指父类的私有成员还是被继承到了子类对象中，但是语法上限制⼦类对象不管在类里面还是类外⾯都不能去访问它。
2. ⽗类private成员在⼦类中是不能被访问，如果父类成员不想在类外直接被访问，但需要在子类中能访问，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. ⽗类的其他成员在⼦类的访问⽅式 == Min(成员在⽗类的访问限定符，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⼦类的类⾥⾯使⽤，实际中扩展维护性不强。

1.3 继承类模板

有了继承，我们就可以用继承实现栈。

#define Container std::deque
// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class stack : public Container<T>
{
public:
	void push(const T& x)
	{
		// 父类是类模板时，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，push_back等成员函数未实例化，所以找不到
		Container<T>::push_back(x);
	}
	void pop()
	{
		Container<T>::pop_back();
	}
	const T& top()
	{
		return Container<T>::back();
	}
	bool empty()
	{
		return Container<T>::empty();
	}
};

二父类和子类对象赋值兼容转换

public继承的子类对象 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。
父类对象不能赋值给子类对象。
父类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给⼦类的指针或者引用。但是必须是⽗类的指针是指向⼦类对象时才是安全的。这⾥父类如果是多态类型，可以使用RTTI(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进⾏识别后进⾏安全转换。

class Person
{
public:
	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.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	// 不产生常性临时变量，直接切给父类
	Person pobj = sobj;
	Person* pp = &sobj;
	Person& rp = sobj;
	rp._name = "澄岚";

	//2.父类对象不能赋值给⼦类对象，这里会编译报错
	//sobj = pobj; // <-
	return 0;
}

三继承中的作用域

3.1 隐藏规则

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。（在⼦类成员函数中，可以使⽤用父类::父类成员 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。

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;
};

上程序Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，输出999 。

3.2 继承作用域相关选择题

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

3.2.1 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

E: 只需要函数名相同就构成隐藏

3.2.2 下面程序的编译运行结果是什么（ C ） A. 编译报错 B. 运行报错 C. 正常运行

E: 会调子类中的func( )

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

改为此程序则编译报错，b.fun()需要加父类类域。

b.A::fun();

四子类的默认成员函数

4.1 4个常见默认成员函数

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，那么在子类中，这几个成员函数是如何⽣成的呢？

我们用继承了Person类的student类来观察一下：

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "zmcl")
		: _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
};

1. 子类的构造函数必须调用父类的构造函数初始化父类的那⼀部分成员。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. 子类对象初始化先调用父类构造再调子类构造。

默认生成的构造函数的行为
1、内置类型->不确定
2、自定义类型->调用默认构造
3、继承父类成员看做一个整体对象，要求调用父类的默认构造

Student(const char* name, int num)
	: Person(name) // 调用父类的默认构造
	, _num(num)
{
	cout << "Student()" << endl;
}

3. 子类的拷贝构造函数必须调用父类的拷贝构造完成父类的拷贝初始化。

Student(const Student& s)
	: Person(s) // 调用父类的拷贝构造
	, _num(s._num)
{
	cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}

严格说Student拷贝构造默认生成的就够用了，如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现。

4. 子类的operator=必须要调用父类的operator=完成父类的复制。需要注意的是⼦类的operator=隐藏了父类的operator=，所以显⽰调用父类的operator=，需要指定父类作用域。

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;
}

也可以不用写~~

5. 子类的析构函数会在被调用完成后自动调用父类的析构函数清理父类成员。因为这样才能保证子类对象先清理子类成员再清理父类成员的顺序。

6. 子类对象析构清理先调用子类析构再调父类的析构。
7. 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。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。

// 严格说Student析构默认生成的就够用了
// 如果有需要显示释放的资源，才需要自己实现
// 析构函数都会被特殊处理成destructor()
~Student()
{
    cout << "~Student()" << endl;
    // 子类的析构和父类析构函数也构成隐藏关系
	// 规定：不需要显示调用，子类析构函数之后，会自动调用父类析构
	// 这样保证析构顺序，先子后父，显示调用取决于实现的人，不能保证先子后父
}

4.2 实现⼀个不能被继承的类

方法1：父类的构造函数私有，子类的构成必须调⽤父类的构造函数，但是父类的构成函数私有化以后，子类看不⻅就不能调⽤了，那么子类就⽆法实例化出对象。

方法2：C++11新增了⼀个final关键字，final修改父类，子类就不能继承了。

// C++11的⽅法
class Base final
{
public:
	void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
protected:
	int _a = 1;
private:
	// C++98的⽅法
	/*Base()
	{}*/
};
class Derive :public Base //继承不了
{
	void func2() { cout << "Derive::func2" << endl; }
protected:
	int _b = 2;
};

五继承与友元

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。

class Student;// 前置声明
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);// 友元关系不能被继承
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
	//friend void Display(const Person& p, const Student& s); // <-解决⽅案
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;
	cout << s._stuNum << endl;// 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
}

六继承与静态成员

父类定义了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:
	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
	// 说明⼦类继承下来了，父⼦类对象各有⼀份
	cout << &p._name << endl;  // 0000007A40FFF738
	cout << &s._name << endl;  // 0000007A40FFF778

	// 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的
	// 说明⼦类和父类共⽤同⼀份静态成员
	cout << &p._count << endl;  // 00007FF718EA44C4
	cout << &s._count << endl;  // 00007FF718EA44C4

	// 公有的情况下，父⼦类指定类域都可以访问静态成员
	cout << Person::_count << endl;
	cout << Student::_count << endl;
	return 0;
}

七多继承及其菱形继承问题

7.1 继承模型

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，多继承对象在内存中的模型是，先继承的⽗类在前⾯，后⾯继承的⽗类在后⾯，⼦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。

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 = "zmcl";

	// 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";
	return 0;
}

7.2 虚继承

使用 virtual 关键字可以解决数据冗余和⼆义性。

class Person
{
public:
string _name; // 姓名
};

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

// 使⽤虚继承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 = "zmcl";
	return 0;
}

哪个类产生数据冗余和⼆义性，那个类加virtual。

7.3 IO库中的菱形虚拟继承

源码：

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>
{};

7.4 多继承中指针偏移问题

先继承的在前面~

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;
}

以上程序 p1 == p3 != p2

八继承和组合

public继承是⼀种is-a的关系。也就是说每个⼦类对象都是⼀个⽗类对象。
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。
继承允许你根据父类的实现来定义子类的实现。这种通过⽣成⼦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，⽗类的内部细节对子类可见。继承⼀定程度破坏了⽗类的封装，⽗类的改变，对⼦类有很⼤的影响。子类和父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。这种复⽤⻛格被称为黑箱复用(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可⻅的。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。
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。
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，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。