【C++】继承

_flierx2024-09-27 4:01

文章目录

一、继承的概念及定义

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。

列如：现在有学生类和老师类，类中均有年龄、性别等相同的属性，这些相同的属性在每个类中都写一份就会出现代码的冗余。可以使用一个父类包含这些共有的成员变量和成员函数，让学生类、老师类作为子类对父类进行继承即可。

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.

2.继承的定义

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。(因为翻译的原因，所以既叫⽗类/⼦类，也叫基类/派生类)

2.2继承⽗类成员访问⽅式的变化

基类中，不同的访问限定符修饰的成员，以不同的继承方式被继承到派生类当中后，该成员最终在派生类当中的访问方式将会发生变化。

对于上面的表格，其实不用去死记硬背，我们进行一下总结:

(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)

(2)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)

(3)基类的私有成员在子类都是不可见。

基类的其他成员在子类的访问方式 ==Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)

（三种访问限定符的权限大小为: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。

重点 :其实，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。

二、⽗类和⼦类对象赋值兼容转换

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

(1)子类对象可以赋值给父类对象

cpp 复制代码 
//基类
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};

//派生类
class Student : public Person
{
public:
	int _id;
};

int main()
{
	Person p;
	Student s;

	s._name = "张三";
	s._sex = "男";
	s._age = 20;
	s._id = 8888;
	
	p = s; // 子类对象赋值给父类对象

	return 0;
}

通过调式可以看到，为什么没有把 id 赋值过去呢?

这里有个形象的说法叫切片或者切割，相当于把派生类中父类那部分切来赋值过去，如图所示:

(2)父类对象不能赋值给子类对象

cpp 复制代码 
//基类
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};

//派生类
class Student : public Person
{
public:
	int _id;
};

int main()
{
	Student s;
	Person p;

	s = p;

	return 0;
}

编译会报错：

（3）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。

cpp 复制代码 
//基类
class Person
{
public:
	string _name = "Edison"; // 姓名
	string _sex = "男"; // 性别
	int _age = 20; // 年龄
};

//派生类
class Student : public Person
{
public:
	int _id;
};

int main()
{
	Student s;
	
	Person* pp = &s;
	Student* ps1 = (Student*)pp;
	ps1->_id = 10;

	return 0;
}

可以看到这种情况下是可以赋值的:

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。（ps：这个我们后⾯类型转换章节再单独专⻔讲解，这⾥先提⼀下）

三、继承的作用域------隐藏

在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域，如果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。

代码示例: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。

cpp 复制代码 
// 基类
class Person
{
protected:
	string _name = "Edison"; // 姓名
	int _num = 555; // 身份证号
};

// 派生类
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "姓名:" << _name << endl;
		cout << "学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 888; // 学号
};

int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();

	return 0;
}

运行可以看到，访问的是子类中的_num(类似于局部优先的原则)

那么如果我想访问父类中的_num 呢?可以使用 基类::基类成员 显示的去访问

cpp 复制代码 
// 基类
class Person
{
protected:
	string _name = "Edison"; // 姓名
	int _num = 555; // 身份证号
};

// 派生类
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "姓名:" << _name << endl;
		cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;
	}
protected:
	int _num = 888; // 学号
};

int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();

	return 0;
}

可以看到，此时就是访问的父类中的_num

还有一点需要注意的是:如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。

cpp 复制代码 
// 基类
class A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "A::func()" << endl;
	}
};

// 派生类
class B : public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "B::func()" << endl;
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};

int main()
{
	B b;
	b.fun(10);

	return 0;
}

可以看到，默认是去调用子类的 fun()函数，因为成员函数满足函数名相同就构成隐藏.

如果想调用父类的 fun()还是需要指定作用域:

cpp 复制代码 
// 基类
class A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "A::func()" << endl;
	}
};

// 派生类
class B : public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "B::func()" << endl;
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};

int main()
{
	B b;
	b.A::fun();

	return 0;
}

运行可以看到，此时就是调用父类中的 fun()

注意:B 中的fun 和A中的 fun 不是构成函数重载，而是隐藏!函数重载的要求是在同一作用域里面!!!

另外，在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

四、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，那么在⼦类中，这⼏个成员函数是如何⽣成的呢？

这几个成员函数的生成规则如下:

  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. ⼦类的拷⻉构造函数必须调⽤⽗类的拷⻉构造完成⽗类的拷⻉初始化。
  3. 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
  4. 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。
  5. ⼦类对象初始化先调⽤⽗类构造再调⼦类构造。
  6. ⼦类对象析构清理先调⽤⼦类析构再调⽗类的析构

基类成员函数代码如下:

cpp 复制代码 
// 基类
class Person
{
public:
    // 构造函数
    Person(const char* name = "Edison")
        : _name(name)
    {
        cout << "Person()" << endl;
    }

    // 拷贝构造
    Person(const Person& p)
        : _name(p._name)
    {
        cout << "Person(const Person& p)" << endl;
    }

    // 赋值重载
    Person& operator=(const Person& p)
    {
        cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
        if (this != &p)
            _name = p._name;

        return *this;
    }

    // 析构函数
    ~Person()
    {
        cout << "~Person()" << endl;
    }
protected:
    string _name; // 姓名
};

派生类成员函数代码如下:

cpp 复制代码 
// 派生类
class Student : public Person
{
public:
    // 构造函数
    Student(const char* name, int num)
        : Person(name)
        , _num(num)
    {
        cout << "Student()" << endl;
    }

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

    // 赋值重载
    Student& operator = (const Student& s)
    {
        cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
        if (this != &s)
        {
            Person::operator =(s);
            _num = s._num;
        }
        return *this;
    }

    // 析构函数
    ~Student()
    {
        cout << "~Student()" << endl;
    }
protected:
    int _num; //学号
};

注意:子类析构函数不需要去调用父类的析构，因为父子类的析构函数构成隐藏关系!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。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。

所以为了保证析构顺序(先子后父)，子类析构函数完成后会自动调用析构函数，所以一般不用显示的去写父类的析构!

基类和派生类的构造图示:

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子类私有和保护成员，只能访问自己的私有和保护成员。

下面代码中，Display 函数是基类 person 的友元，但是 Display 函数不是派生类 student 的友元，也就是说 Display 函数无法访问派生类 student 当中的私有和保护成员。

cpp 复制代码 
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; // 可以访问
	cout << s._stuNum << endl; // 无法访问
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);

	return 0;
}

可以看到运行会报错:

如果想让 Display 函数也能够访问派生类 student 的私有和保护成员，只需要在派生类 student 当中进行友元声明。

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s); // 声明Display是Person的友元
protected:
	string _name; // 姓名
};

class Student : public Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s); // 声明Display是Student的友元
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

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

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);

	return 0;
}

六、继承与静态成员

如果基类中定义了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。

下面代码中，在基类 Person当中定义了静态成员变量_count，派生类 student 和 Graduate 继承了 Person ，但是，在整个继承体系里面只有一个静态成员。

cpp 复制代码 
// 基类
class Person
{
public:
	Person() { ++_count; }
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数。
};

// 静态成员在类外面定义
int Person::_count = 0; 

// 派生类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

// 派生类
class Graduate : public Student
{
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};

int main()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	Person s;

	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	cout << " 人数 :" << Student::_count << endl;
	cout << " 人数 :" << s4._count << endl;

	return 0;
}

我们定义了5个对象，那么每定义一个对象都会去调用一次 ++_count ，打印以后可以看到，这几个对象里面的 _count 都是一样的:

同时，我们还可以打印一下地址，可以看到也是同一个

总结:关于父类中的静态成员，子类继续下来以后都是同一个，类似于"传家宝"。

七、菱形继承及菱形虚拟继承

我们前面所说的实际上都是单继承，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

然而，对于C++而言，还有多继承，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

而菱形继承是多继承比较特殊的情况：

菱形继承的问题

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

下面代码是一个菱形继承中，当我们实例化 Assistant 对象 。 以后，会有二义性无法明确知道访问的是哪一个。

cpp 复制代码 
// 基类
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	int _a[10000];
};


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
};

int main()
{
	// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
	Assistant a;
	a._name = "Edison";

	return 0;
}

Assistant 类继承了 student 和 Teacher,而 student 和 Teacher 当中都继承了 Person,因此 student 和 Teacher 当中都有_name 成员，若是直接访问a对象的_name 成员会出现访问不明确的报错。

那么我们可以显示指定访问哪个父类的成员可以解决二义性问题。

cpp 复制代码 
// 基类
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	int _a[10000];
};


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
};

int main()
{
	// 显示指定访问哪个父类的成员
	a.Student::_name = "Edison";
	a.Teacher::_name = "Harry";

	return 0;
}

虽然可以解决二义性的问题，但仍然不能解决数据冗余的问题。因为在 Assistant 的对象在 Person 成员始终会存在两份。

虚拟继承

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。

如下的继承关系，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，虚拟继承不要在其它地方去使用。

cpp 复制代码 
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
};

int main()
{
	Assistant a;
	a._name = "Edison";

	return 0;
}

我们可以直接打印看下 Assistant 对象的_name 成员，访问到的都是同一个结果，解决了二义性的问题。

当我们打印name 成员的地址时，显示的也是同一个地址，解决了数据几余的问题。

八、继承与组合

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。

而组合是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。

举个例子: 轿车和奔驰就构成 is-a 的关系，所以可以使用继承。

cpp 复制代码 
// 车类
class Car
{
protected:
	string _colour = "黑色"; // 颜色
	string _num = "川A66688"; // 车牌号
};

// 奔驰
class Benz : public Car
{
public:
	void Drive()
	{
		cout << "好开-操控" << endl;
	}
};

再举个例子:汽车和轮胎之间就是 has-a的关系，它们之间则适合使用组合。

cpp 复制代码 
// 轮胎
class Tire {
protected:
	string _brand = "Michelin"; // 品牌
	size_t _size = 17; // 尺寸

};

// 汽车
class Car {
protected:
	string _colour = "黑色"; // 颜色
	string _num = "川A66688"; // 车牌号
	Tire _t; // 轮胎
};

注意:如果两个类既适合 is-a关系，又适合 has-a 关系，那么优先建议使用对象组合，而不是类继承。

为什么呢?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，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，又可以用组合，优先考虑用组合。

注意:模块与模块之间的关系应该是遵循 低耦合，高内聚。

九、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，就存在萎形继承，有了菱形继承就有萎形虚拟继承，底层实现就很复杂。所以一般不建议设计出多继承，一定不要设计出萎形继承。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 语言都没有多继承，如 Java。

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