【C++杂货铺】继承

🌈前言🌈

📁 继承的概念和定义

📂 概念

📂 定义

📁 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

构造函数

析构函数

拷贝构造函数

赋值重载

📁 继承和友元

📁 继承和静态成员

📁 复杂的菱形继承以及菱形虚拟继承

菱形继承的问题：

菱形虚拟继承

📁 继承和组合

📁 总结

🌈前言🌈

欢迎收看本期【C++杂货铺】，本期内容将讲解面向对象语言的三大特性之一的——继承。将从什么是继承，怎么使用继承，以及为什么要有继承等几个方面进行讲解。此外还见扩展多继承中菱形继承的问题，以及继承和组合的区别。

在谈继承之前我们需要了解和掌握类和对象的概念，对封装有一定理解。如果你还不是很了解，可以快速阅览下面这几篇文章。

【C++杂货铺】详解类和对象 [上]-CSDN博客

【C++杂货铺】详解类和对象 [中]-CSDN博客

【C++杂货铺】详解类和对象 [下]-CSDN博客

这里对封装做快速回顾：

1. 封装就是将对象的数据和方法放在在一起，使对象更加完美，通过访问限定符的限制，通过接口，提供给用户使用；

2. 一个类型放在另一个类型里面，通过typedef 和成员函数的调整，封装出另一个全新的类型。

📁 继承的概念和定义

📂 概念

继承机制是面向对象程序设计使代码可以重复利用的重要手段，它允许程序员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，成为派生类。集成呈现了面向对象程序设计的层次结构，体现了有简单到复杂的认知过程。

C++中，函数重载是对函数的重复利用，利用模板可以实现对类型不同的代码的复用。继承则是对类的复用。

举个例子，在学校里，有学生和老师，有自己学号或工号，但是他们都属于人这个范围，都有姓名和年龄等。

这样，我们就称学生和老师都是人的派生类（子类），人则是基类（父类）。

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
};

📂 定义

Person是父类，也称作基类。student是子类，也称作派生类。

继承方式可以理解为将基类的哪些数据，以什么方式给子类。

继承基类成员访问方式的变化

总结：

1. 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韩式被继承到派生类中，但是语法上限制类派生类对象不管在类里面还是在类外面都不能去访问。

2. 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，但需要在派生类中访问，就定义为protected。可以看出，保护成员限定符因继承才出现。

3. 实际上面的表格总结发现。基类的私有成员在子类都是不可兼得，基类的其他成员在子类的访问方式 == Min(基类的访问限定符，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，几乎很少用到protected和private继承，也不提倡，因为继承下来的成员都只能在派生类的类里面使用，实际的扩展性不强。

// 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
};

📁 基类和派生类对象赋值转换

派生类对象 可以赋值给 基类对象/基类的指针/基类的引用。这就是切片/切割。寓意是把派生类中父类那部分分割开来赋值过去。

基类对象不能赋值给派生类对象。

基类的指针或引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或引用。但不许是基类的指针是指向派生类对象时才安全。

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;
}

📁 继承中的作用域

1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。

// 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<<" 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();
};

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，这种情况叫做隐藏（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。

// 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);
};

3. 需要注意的是如果成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。

4. 注意实际运用中，继承体系最好不要定义同名的成员。

📁 派生类的默认成员函数

在类中，默认成员函数是指，我们不写也会自动生成的函数，其中最重要的就是构造，析构，拷贝构造以及复制重载。

在派生类中，这几个成员函数是如何生成的？

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部分成员。如果基类没有默认构造函数，必须在派生类构造函数的初始化列表阶段显示调用。（构造函数是先基类，再派生类）

析构函数

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。因为这样才能保证排成类对象先清理派生类成员再清理基类成员的顺序。（析构是先派生类，再基类）

拓展一下，析构函数在编译后会被统一命名为destructor。所以如果要调用父类的析构函数，必须使用基类::基类成员，但是这里不需要显示调用，会自动调用。

拷贝构造函数

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。

赋值重载

派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。这里必须声明基类，因为派生类隐藏了基类的operator=。

📁 继承和友元

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
{
//想要使用，就要在子类中也声明友元
// friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
 int _stuNum; // 学号
};

void Display(const Person& p, const Student& s)
{
 cout << p._name << endl;
 cout << s._stuNum << endl;
}

void main()
{
 Person p;
 Student s;
 Display(p, s);
}

📁 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，无论派生出多少个子类，都只有1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
};
void TestPerson()
{
 Student s1 ;
 Student s2 ;
 Student s3 ;
 Graduate s4 ;
 cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
 Student ::_count = 0;
 cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}

📁 复杂的菱形继承以及菱形虚拟继承

单继承：一个子类中只有一个直接父类。

多继承：一个子类有两个或两个以上直接父类时，这个继承关系成为多继承。

菱形继承：是多继承的一种特殊情况。

菱形继承的问题：

在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。会有两份相同的数据。

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";
}

菱形虚拟继承

为了解决数据冗余和二义性的问题，引入了虚拟继承的方法。

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";
}

下面，我们通过在VS2022的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。

多继承本身没问题，但有了多继承就可能导致菱形继承问题，菱形继承就会有数据冗余和二义性的问题。

在实践中，也不建议设计出菱形继承的对象模型。

📁 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。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。

笔试面试题

1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的

3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？