【C++笔记】C++三大特性之继承

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了模版的特化及其编译分离。今天我们来讲一下C++三大特性之继承。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋

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，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。

class Student//学生
{
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//老师
{
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
	int _age = 18; // 年龄
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	string _title; // 职称
};
int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.identity();
	t.identity();
	return 0;
}

那有什么办法让代码不那么冗余吗？这就可以用我们的继承。

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//把共同的地方提取放在Person类里面
{
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//继承Person
{
public:
	// 学习
	void study()
	{
		// ...
	}
protected:
	int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person//继承Person
{
public:
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string title; // 职称
};

继承关系如下：


继承后的子类可以使用父类的成员函数和成员。

1.2继承的定义

• 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)
  
  
  继承方式和访问限定符各有3种。

1.3继承基类成员访问方式的变化

基类的成员在派生类的访问方式如下：

• 基类private成员
  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。
  
  但是我们可以通过子类调用父类的函数来间接使用父类的私有。
  

• 基类protected成员
  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。
  
  这里我们把Person的成员改为protected就可以访问Person的成员了。
  但是类外面依旧无法访问。
  

• 总结
  实际上面的表格我们进行⼀下总结会发现，基类的私有成员在派生类都是不可见。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。

• 使用场景
  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。

• struct和class
  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。

1.4继承类模板

有了继承之后我们就可以通过继承其他容器的类来实现一个栈。

namespace qcj 
{
	// 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
			// 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
			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();
		}
	};
}
int main()
{
	qcj::stack<int> st;//只会调用构造函数，也就是只实例化vector的构造
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	return 0;
}

• 按需实例化
  
  所以基类是类模板的时候需要指定类域。

二.基类和派生类间的转换

• 切片
  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。
  
  需要注意的是之前不同类型的转化是走的隐式类型转化。但是这里子类切片给父类并没有走隐式类型转化。
  
  如果这里走隐式类型转化的话，那会生成临时变量，那应该还需要加上const.
• 基类不能给子类
  基类对象不能赋值给派生类对象。
  
  
• 基类的指针和引用
  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）
  

三.继承中的作用域

3.1隐藏

隐藏规则如下：

• 作用域独立
  在继承体系中基类和派⽣类都有独的作用域。
• 隐藏
  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。（在派生类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问）

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 << " 学号:" << _num << endl;
		cout << " 学号:" << Person::_num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};
int main()
{
	Student s;
	s.Print();
	return 0;
}

• 同名函数隐藏
  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。
  
  
  所以如果要访问父类函数也需要指定类域。

• 定义规范
  注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

4. 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？

• 构造函数
  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显示。

• 拷贝构造
  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。
  

• operator=
  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
  

• 析构隐藏
  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。
  

• 初始化顺序
  派⽣类对象初始化先调用基类构造再调派⽣类构造。

• 析构顺序
  派生类对象析构清理先调⽤派⽣类析构再调基类的析构。

• 自动调用
  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。
  
  总而言之，默认成员函数这里内置类型和自定义类型的行为都不变，继承父类的成员要当成整体调用父类的默认成员函数。

4.2 实现一个不能被继承的类

这里有两种方法实现一个不能被继承的类

• 方法一
  基类的构造函数私有，派生类的构成必须调⽤基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派生类看不剪就不能调⽤了，那么派生类就无法实例化出对象
  
  但是这种方法的缺点就是不够明显，不定义子类就不会报错。
  
  定义之后才会报错
  
• 方法二：
  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。即使没定义子类也会报错。
  

五.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派⽣类私有和保护成员 。

解决方案就是在派生类继续加友元即可。

六 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;
};

可以看到这里非静态成员地址不一样，静态成员地址一样。
说明非静态成员在父类和子类各有一份，静态成员父类和子类只有一份。

公有的情况下，父类和子类指定类域都可以访问静态成员。
同时也可以通过对象点的方式访问。

因为父类和子类的静态成员都是同一个所以都是1。

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。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
};

所以我们不要设计出菱形继承。

7.2 虚继承

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。

为了解决菱形继承的问题后来引入了虚继承。

这数据冗余的类继承时加上virtual关键字即可。

虚继承后就没有二义性的问题，同时也只会存储一份数据。也不会有数据冗余和二义性。注意哪个类有数据冗余就在哪个类继承时加上虚继承。

例如这里也是菱形继承，那是在B虚继承还是D虚继承。
注意A会数据冗余，所以在B和C继承A的时候虚继承。

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。当然有多继承语法支持，就⼀定存在会设计出菱形继承，像Java是不支持多继承的，就避开了菱形继承。

7.3 IO库中的菱形虚拟继承

库里的IO流就是用的多继承，所以他也得使用虚继承解决多继承的问题。

7.4多继承指针偏移问题

大家来看一下这个题选什么。

这里根据我们前面讲的切片会导致指针偏移。


继承时先声明的在前面。所以这里把声明的顺序换了结果又不一样。

八. 继承和组合

8.1 继承和组合

• 继承
  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。

class Base1 { public: int _b1=1; };
class Base2 { public: int _b2=2; };
class Derive : public Base2, public Base1 { public: int _d=3; };

• has_a
  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。

template<class T>
class Stack
{
	list<T> t;
};

• 白箱复用
  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。

• 黑箱复用
  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。

• 总结
  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。

后言

这就是C++三大特性之继承。大家自己好好消化！今天就分享到这！感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~