文章目录
- 📍前言
- C++中的继承
- 1.继承的概念及定义
- 1.1 继承的概念
- 1.2 继承的定义
- 1.2.1 定义格式
- 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
- 2. 基类和派生类对象赋值转换
- 3.继承中的作用域
- 4.派生类的默认成员函数
- 5.继承与友元
- 6.继承与静态成员
- 7.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
- 8.继承的总结和反思
- 9.思考题
- 📍后记
📍前言
本篇将学习C++中的继承。
🕺作者： 迷茫的启明星
专栏：《C++进阶》
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C++中的继承
1.继承的概念及定义
1.1 继承的概念
继承在百度百科的意思是：
①依法承受（死者的遗产等）：权|人。②泛指把前人的作风、文化、知识等接受过来：优良传统|文化遗产。③后人继续做前人遗留下来的事业：~先烈的遗业。
那么在C++中的继承也具有相似性，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。 它是是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段 。
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 。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}
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。
这里体现出了Student和Teacher复用了Person的成员。
下面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。
1.2 继承的定义
1.2.1 定义格式
我们可以看到下面的Person是父类，也称为基类。Student是子类，也称作派生类。
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 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：
- 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。这里的不可见指的是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是在类里面还是在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面直接被访问，但需要在派生类中能访问，就定义为protected，可以看出保护成员是因继承才出现的。
- 实际上面的表格我们总结一下就会发现，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方式的权限大小排序为：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，不过最好显式的写出继承方式。
- 在实际运用中一般使用的都是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
// 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的变化 class Person { public : void Print () { cout<<_name <<endl; } protected : string _name ; // 姓名 private : int _age ; // 年龄 }; //class Student : protected Person //class Student : private Person class Student : public Person { protected : int _stunum ; // 学号 }; int main() { Student s; s.Print(); return 0; }当继承方式是public时：
当继承方式是protetced/private时：会报错
2. 基类和派生类对象赋值转换
- 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。
class Person { protected : string _name; // 姓名 string _sex; // 性别 int _age; // 年龄 }; 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 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; }
- 子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
基类对象不能赋值给派生类对象
基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针
3.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。（在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问）
- 需要注意的是如果是成员函数的隐藏，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。
// 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 = "小黑子"; // 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 }; void Test() { Student s1; s1.Print(); };// 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; } }; void Test() { B b; b.fun(10); };
4.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？
- 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。
- 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。
- 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再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派生类构造。
- 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
- 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(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
上面总结起来就是这样一张图：
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) , _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 ; } ~Student() { cout<<"~Student()" <<endl; } protected : int _num ; //学号 }; void Test () { Student s1 ("jack", 18); Student s2 (s1); Student s3 ("rose", 17); s1 = s3 ; }
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; // 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;//也就是说这里无法访问s._stuNum } int main() { Person p; Student s; Display(p, s); }
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 }; int main() { Student s1 ; Student s2 ; Student s3 ; Graduate s4 ; cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl; Student ::_count = 0; cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl; }
因为每次创建一个对象，count+1，所以打印为4，然后又设置为0，打印为0，证明里面只有一个这样的成员。
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。
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。
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"; }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"; }虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
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; }下图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余
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放到的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。虚基表中存的偏移量。通过偏移量可以找到下面的A
下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释 :
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。
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。
- 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 。
- 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。类之间的关系既可以用
继承，可以用组合，就用组合。// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系 class Car{ protected: string _colour = "白色"; // 颜色 string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号 }; class BMW : public Car{ public: void Drive() {cout << "好开-操控" << endl;} }; class Benz : public Car{ public: void Drive() {cout << "好坐-舒适" << endl;} }; // Tire和Car构成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"; // 车牌号 Tire _t; // 轮胎 };
9.思考题
什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
菱形继承（Diamond Inheritance）是指在继承关系中存在一个中间类，多个子类同时继承了这个中间类和其它继承层次上的类，从而形成一个菱形结构的继承关系。
下面是一个例子：
class A {...}; class B : public A {...}; class C : public A {...}; class D : public B, public C {...}; // 菱形继承在这个例子中，类 D 继承了类 B 和类 C，而类 B 和类 C 又公共继承自类 A，最终形成了一个菱形继承的结构。当我们在调用 D 的某个方法时，就会沿着类继承的链条向上遍历，到达 A 的实现代码时，编译器会发现它被两次继承，于是就会引发二义性问题：编译器不确定应该调用类 B 中继承自 A 的实现还是类 C 中继承自 A 的实现。
菱形继承的问题是，由于同一个基类 A 被多次继承，会导致派生类中存在多份相同的 A 类成员变量和成员函数，会增加程序的内存开销，同时还会导致命名冲突、二义性等问题。
为了解决菱形继承的问题，C++ 语言提出了虚继承（Virtual Inheritance）概念，在虚继承时，派生类只在继承层次的最上层基类处使用 virtual 关键字，该基类就称为虚基类。在虚继承的情况下，菱形继承问题得到了解决，派生类只会保留一份虚基类的成员变量和实现代码，并且可以使用虚基类指针来访问实际的基类对象。
下面是一个虚继承的例子：
class A {...}; class B : virtual public A {...}; class C : virtual public A {...}; class D : public B, public C {...};在这个例子中，类 B 和类 C 继承自 A 时都使用了 virtual 关键字，表示虚继承。这样在类 D 中就只会有一份 A 类成员变量和实现代码，菱形继承问题得到了解决。
什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
菱形虚拟继承是在菱形继承的基础上，使用虚拟继承来解决由菱形继承所带来的二义性和数据冗余的问题。在菱形虚拟继承中，使用虚拟基类来避免派生类中存在多份同名基类成员变量的问题。
举个例子，现在有一个类D，在类B和类C中均继承了类A，而类D又同时继承了类B和类C，形成了菱形继承的结构。这时如果使用虚拟继承来解决菱形继承的问题，我们需要将类A设置为虚拟基类，如下所示：
class A {...}; class B : virtual public A {...}; class C : virtual public A {...}; class D : public B, public C {...};在这个例子中，我们使用了 virtual 关键字将类A标记为虚拟基类。这样在类D中就只会保留一个A类成员变量和实现代码，从而避免了数据冗余和二义性的问题。在菱形虚拟继承的情况下，派生类可以通过虚基类指针访问到实际的基类对象，而不需要在派生类中保留多个同名的基类成员变量。
通过菱形虚拟继承，可以有效避免由菱形继承带来的问题，如数据冗余、二义性和内存资源浪费等问题。此外，在使用菱形虚拟继承时需要注意，由于虚继承需要使用虚函数表来实现，因此可能会带来一定的性能损失，需要在权衡性能和代码清晰度之间做出选择。
继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
继承和组合是面向对象中两种常用的代码复用方式。
继承（Inheritance）是指在已有类的基础上，创建一个新的子类，子类继承父类的所有属性和方法，并可以在此基础上进行拓展和修改。在继承的关系中，子类和父类之间的关系可以用“is-a”（是一个）来描述，即子类是父类的一种特殊情况。
组合（Composition）是指在一个类中使用另外一个类的对象来实现某些特定的功能。在组合的关系中，类和对象之间的关系可以用“has-a”（有一个）来描述，即一个类具有另一个类的对象作为自己的属性。
在实际的程序设计中，继承和组合都有其各自适用的场景，选择使用哪种方式取决于具体的需求和情况。
使用继承的情况：
子类需要具有父类的全部属性和方法，并且还需要在此基础上进行拓展和修改。
父类的某些属性或者方法对子类也是必要的。
子类需要在需要重写父类中的某些方法时使用继承。
子类和父类之间有明确的“is-a”关系。
使用组合的情况：
子类只需要使用父类中的一部分属性和方法，而不需要继承全部的属性和方法。
子类需要将多个对象组合起来，实现某些特定的功能，而这些对象之间没有继承关系。
父类的某些属性和方法对实现子类的功能没有必要，而使用继承只会增加代码的冗余。
综上所述，继承和组合都有其各自的特点和适用场景，需要根据具体需求来选择合适的方式来实现代码复用和功能实现。在使用继承或组合时，需要注意合理设计类之间的关系，避免出现代码冗余、死循环、内存泄漏等问题，提高代码的可读性和可维护性。
📍后记
本篇讲述了C++继承的概念、基类和派生类对象赋值转换、继承中的作用域、派生类的默认成员函数、继承与友元的关系、继承与静态成员、菱形继承及菱形虚拟继承等等。
感谢大家支持！！！
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下篇见！
