C++继承深度剖析：从理论到实践的跨越

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所属专栏：C++：由浅入深篇

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前言：

前面我们已经学了很多有关C++的内容了，我们把前面的内容都定义成了初阶，从这篇博客开始，我们就要走进进阶部分了哦，我们一起共同进步吧。

一.继承的概念和定义

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。以前我们接触的函数层次的复用，继承是类设计层次的复用。

下面我们看到没有继承之前我们设计了两个类Student和Teacher。

class Student
{
public :
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		// ...
	} 

	// 学习
	void study()
	{
		// ...
	}

protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	int _age = 18; // 年龄
	int _stuid; // 学号
};

class Teacher
{
public:
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		// ...
	}
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	int _age = 30; // 年龄
	string _title; // 职称
};

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。

下面我们公共的成员都放到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
};

继承后，父类的成员都会变成子类的一部分，也就是说，子类复用了父类的成员。

1.2继承的定义

1.2.1定义格式

下面我们看到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)。

1.2.2继承方式和访问限定符

1.2.3继承基类成员访问方式的变化

通过观察，基类的其他成员在派生类的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public>protected>private。

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。

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。

在实际运用中一般都是使用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。

使用关键字class时，我们不指定继承方式，默认的继承方式是private，使用struct时，我们不指定继承方式，默认的继承方式是public，不过最好显示的写出继承方式。

1.3继承类模板

namespace bit
{
	//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 std::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,这里只实例化了构造函数
			// 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
			vector<T>::push_back(x);
			//push_back(x);
		}
		
		void pop()
		{
			vector<T>::pop_back();
		}
		
		const T& top()
		{
			return vector<T>::back();
		} 
		
		bool empty()
		{
			return vector<T>::empty();
		}
	};
}

二.基类和派生类间的转换

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。

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 TypeInformation)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个我们后面类型转换章节再单独专门讲解，这里先提⼀下）

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后⾯会讲解的基类的拷⻉构造完成的
	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

在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。派生类和基类中有同名成员，派生类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏。

例如，对于以下代码，访问成员_num时将访问到子类当中的_num。

// 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 << " _num:" <<_num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();
	return 0;
}

若此时我们就是要访问基类当中的_num成员，我们可以使用作用域限定符进行指定访问（在派生类成员函数中，可以使用基类::基类成员显示访问）

void Print()
{
	cout << " _num:" << Person::_num << endl;
}

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。

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << " _num:" <<_num << endl;
	}
protected :
	string _name = "⼩李⼦"; // 姓名
	int _num = 111; // ⾝份证号
};
class Student : public Person
{
public :
	void Print()
	{
		cout << " _num:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();       //直接调用派生类当中的成员函数Print
	s1.Person::Print(); //指定调用基类当中的成员函数Print
	return 0;
}

注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

牛刀小试：

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;
};

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

答案：B，只要函数名同名就构成隐藏，基类中的fun和派生中的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。

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

答案：A，我们已经知道fun函数构成了隐藏，想要访问基类中的成员要显示访问，而代码中并未这么做，编译报错。

四. 派生类的默认成员函数

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，那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？

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)//调用基类中的构造函数初始化基类的那一部分成员
		, _num(num)//初始化派生类的成员
	{
		cout << "Student()" << endl;
	} 

	Student(const Student& s)
		: Person(s)//调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝
		, _num(s._num)//拷贝构造派生类成员
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	} 

	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);//调用基类的赋值运算符重载函数完成对基类成员的赋值
			_num = s._num;//对派生类成员进行赋值
		} 
		return* this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;//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
	}
protected:
	int _num; //学号
};

int main()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
	s1 = s3;
	return 0;
}

我们下面对派生类的默认成员函数的调用特点进行总结。

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。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

4. 派生类的析构函数会在被调完用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。

注意：

1.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(这个我们多态章节会讲解)。那么编译器会对析构函数名进⾏特殊处理，处理成destructor()，所以基类析构函数不加virtual的情况下，派生类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。

2.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。

4.2实现一个不能被继承的类

方法1：基类的构造函数私有，派生类的构造必须调用基类的构造函数，但是基类的构造函数私有化以后，派生类看不见就不能调用了，那么派生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修改基类，派生类就不能继承了。

// C++11的⽅法
class Base  final
{
public :
	void func5() 
	{
		cout << "Base::func5" << endl;
	}
protected:
	int a = 1;
private:
	// C++98的⽅法
	/*Base()
	{}*/
};

class Derive :public Base
{
	void func4()
	{ 
		cout << "Derive::func4" << endl;
	}
protected:
	int b = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

五.继承和友元

友元关系不能继承，也就是说基类友元可以访问基类的私有和保护成员函数，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;
}

如果想要访问派生类的私有或保护成员，函数也要变成派生类的友元才可。

六.继承和静态成员

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。

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，基类，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;

	return 0;
}

运行结果：

七.多继承及其菱形继承问题

7.1 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。

从菱形继承的模型构造就可以看出，菱形继承的继承方式存在数据冗余和二义性的问题。

例如，对于以上菱形继承的模型，当我们实例化出一个Assistant对象后，访问成员时就会出现二义性问题。

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
};
int main()
{
	// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	// 需要显⽰指定访问哪个基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;
}

在Assistant的对象中Person成员会有两份，像上面显示指定访问哪个基类的成员可以解决二义性的问题，但是数据冗余问题始终得不到解决。

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。

7.2虚继承

为了解决菱形继承的二义性和数据冗余问题，出现了虚继承。如前面说到的菱形继承关系，在Student和Teacher继承Person是使用虚拟继承，即可解决问题。

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

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

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

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;
}

此时就可以直接访问Assistant对象的_name成员了，并且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，解决了二义性的问题。

而我们打印Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员的地址时，显示的也是同一个地址，解决了数据冗余的问题。

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。

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，无论是使用还是底层都会复杂很多。

7.3多继承中指针偏移问题

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;
}

答案：C

在多继承中，指针偏移与继承顺序有关。在多继承中基类的排列顺序决定了派生类对象内存布局中各个基类对象的位置。

八.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。

例如，车类和奔驰类就是is-a的关系，它们之间适合使用继承。

class Car 
{
protected:
	string _colour = "⽩⾊"; // 颜⾊
	string _num = "陕ABIT00"; // ⻋牌号
	Tire _t1; // 轮胎
	Tire _t2; // 轮胎
	Tire _t3; // 轮胎
	Tire _t4; // 轮胎
};

class Benz : public Car 
{
public:
	void Drive()
	{ 
		cout << "好坐-舒适" << endl; 
	}
};

而车和轮胎之间就是has-a的关系，它们之间则适合使用组合。

// Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合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"; // ⻋牌号
	Tire _t1; // 轮胎
	Tire _t2; // 轮胎
	Tire _t3; // 轮胎
	Tire _t4; // 轮胎
};

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。

原因如下：

• 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。

• 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。

• 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。

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