C++起始之路——继承

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《数据结构与算法》《算法》《C++起始之路》

1.继承的概念及定义

2.基类和派生类间的转换

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.继承与静态函数

7.多继承及其菱形继承问题

8.继承和组合

1.继承的概念及定义

1.1继承的概念

继承（inheritance）机制是面对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征的基础上进行扩展，增加方法（成员函数）和属性（成员变量），这样产生新的类，称为派生类。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。

下面是没有学习继承之前设计的两个类Student和Teacher，Student和Teacher都由姓名/地址/电话/年龄等成员函数，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。虽然也有不重复的成员函数和变量，像老师独有的成员变量是职称，而学生独有的成员变量是学号。

cpp 复制代码

class Student{
public:
    //进入需要身份验证的场所
    void indentity(){
    }
    void study(){
    }
protected:
    string _name="jack";
    string _address;
    string _tel;
    int _age=19;
    int _num;//学号
};
class Teacher{
public:
    void identity(){
    }
    void teaching(){
    }
protected:
    string _name="张三";
    int _age=18;
    string _address;
    string _tel;
    string _title;
};
int main(){
    return 0;
}

我们可以将公共的成员都放在Person类中，Student和Techer都继承Person，就可以复用这些成员，就不需要重复定义，大大增加代码的简洁和美观。

cpp 复制代码

class Person{
public:
    void identity(){
        cout<<"void identity()"<<_name<<endl;
    }
protected:
    string _name="张三";
    string _address;
    string _tel;
    int _age=19;
};
class Student:public Person{
public:
    void study(){
    }
protected:
    int _num;
};
class Teacher:public Person{
public:
    void teaching(){
    }
protected:
    string title;
};
int main(){
    Student s;
    Teacher t;
    s.identity();
    t.identity();
    return 0;
}

1.2继承定义

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。

1.2.2继承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 |
| 积累的protected成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的private成员 |
| 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 |

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的，若基类成员不想在类外被访问，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.通过上面的表格我们可以发现，基类的私有成员在派生类都是不可见的。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。

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，但最好显示写出继承方式。

5.在实际运用中一般使用都是public继承，几乎很少使用protected/private继承，也不提倡使用protected/private继承，因为protected/private继承下来的成员都只能在派生类的类中使用，实际中扩展维护性不强。

cpp 复制代码

class Person{
public:
    void Print(){
        cout<<_name<<endl;
    }
protected:
    string _name;
private:
    int _age;
};
//class Student:protected Person
//class Student:private Person
class Student:public Person{
protected:
    int _num;
};

1.3继承类模板

cpp 复制代码

namespace Achieve{
    template<class T>
    class stack:public vector<T>{
    public:
        void push(const T& x){
            //基类是类模板时，需要指定类域
            //否则编译报错，找不到标识符
            //因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了
            //但是模板是按需实例化，push_back等成员函数为实例化，所以找不到
            vector<T>::push_back(x);
        }
        void pop(){
            vector<T>::pop_back();
        }
        const T& top(){
            return vector<T>::back();
        }
        bool empty(){
            return vector<T>::empty();
        }
    };
}
int main(){
    Achieve::stack<int> st;
    st.push(1);
    st.push(2);
    st.push(3);
    while(!st.empty()){
        cout<<st.top()<<" ";
        st.pop();
    }
    return 0;
}

2.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。也可叫切片或切割，指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。这里若基类是多态模型，可以使用RTTI（Run-Time Type Information）的dynamic_cast来进行识别后进行安全转换。

cpp 复制代码

class Person{
protected:
    string _name;
    string _sex;
    int _age;
};
class Student:public Person{
public:
    int _num;
};
int mian(){
    Studnet sobj;
    Person* pp=&sobj;
    Person& rp=sobj;
    //子类对象可以赋值给父类的对象
    Person pobj=sobj;
    //父类的对象不能赋值给派生类对象，编译报错
    sobj=pobj;
    return 0;
}

3.继承中的作用域

3.1隐藏规则

1.在继承体系中父类和子类都有独立的作用域。

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，这种情况叫隐藏。（在子类成员函数中，可以使用父类::子类成员显示访问）

3.需要注意若是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。

4.注意在实际中继承体系中最好不要定义同名的成员。

cpp 复制代码

//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="张三";
    int _num=111;
};
class Student:public Person{
public:
    void Print(){
        cout<<"姓名："<<_name<<endl;
        cout<<"身份证号:"<<Peron::_num<<endl;
        cout<<"学号："<<_num<<endl;
    }
protected:
    int _num=111;
};
int main(){
    Student s;
    s.Print();
    return 0;
}

3.2考察继承作用域相关选择题

3.2.1A和B类中的两个func构成什么关系（B）

A.重载 B.隐藏 C.没关系

3.2.2下面程序的编译运行结果是什么（A）

A.编译报错 B.运行报错 C.正常运行

cpp 复制代码

class A{
public:
    void fun(){
        cout<<"func()"<<endl;
    }
};
class B:public A{
public:
    void fun(int i){
        cout<<"func(int i)"<<endl;
    }
};
int main(){
    B b;
    b.fun(10);
    b.fun();//b.A::fun()
    return 0;
}

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？

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。若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用派生类构造。

6.派生类对象析构清理先调用派生类析构再调用基类析构。

7.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。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。

cpp 复制代码

class Person{
public:
  Person(const string s="张三")
    :_name(s)
  {
  }
  Person(const Person& p)
    :_name(p._name)
  {
  }
  Person& operator=(const Person& p){
    if(this!=&p){
      _name=p._name;
    }
    return *this;
  }
protected:
  string _name;
};
class Student:public Person{
public:
  Student(const string& p,int num)
    :Person(p)
    ,_num(num)
  {

  }
  Student(const Student& s)
    :Person(s._name)
    ,_num(s._num)
  {

  }
  Student& operator=(const Student& s){
    if(this!=&s){
      //operator=()与父类中的构成隐藏
      Person::Person(s._name);
      _num=s._num;
    }
    return *this;
  }
private:
  int _num=1;
};

4.2实现一个不能被继承的类

法一：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。

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。

cpp 复制代码

//C++11的方法
class Base final{
public:
    void func(){
        cout<<"Base::func()"<<endll;
    }
protected:
    int a=1;
private:
    //C++98的方法
    /*Base(){}*/
};
class Derive:public Base{
public:
    void func(){
        cout<<"Derive::fun()"<<endl;
    }
protected:
    int b=2;
};
int main(){
    Base b;
    Derive d;
    return 0;
}

5.继承与友元

友元关系不能继承，既基类友元不能访问派生类私有和保护成员。

cpp 复制代码

//前置声明，防止Person的友元不认识Student类
class Student;

class Person{
  //友元不能被继承
  friend void Display(const Person& p,const Student& s);
protected:
  string _name;
};
class Student:public Person{
  //friend void Display(const Person& p,const Student& s);
protected:
  string _stuname;
};
void Display(const Person& p,const Student& s){
  cout<<p._name<<endl;
  cout<<s._stuname;
}
int main(){
    Person p;
    Student s;
    //编译报错无法访问protected成员
    //可以将Display也变成Student类的友元
    Display(p,s);
    return 0;
}

6.继承与静态函数

若基类定义了static成员，则整个继承体系中只有一个这样的成员。无论派生出多少派生类，都只有一个static成员实例。

cpp 复制代码

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;
    //从运行结果可以看出非静态成员_name的地址是不一样的
    //说明派生类继承下来了，基类和派生类对象各有一份
    cout<<&p.name<<endl;
    cout<<&s.name<<endl;
    //从运行结果可以看出静态成员_count的地址是一样的
    //说明派生类和基类共用一份静态成员
    cout<<&p._count<<endl;
    cout<<&s._count<<endl;
    //共有情况下，基类派生类指定类域都可以访问静态成员
    cout<<Person::_count<<endl;
    cout<<Student::_count<<endl;
    return 0;
}

7.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称这个关系为多继承，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，，想Java就不直接支持多继承，规避掉了这里的问题，所以实践中不建议设计出菱形继承这样的模型。

cpp 复制代码

class Person{
public:
  string _name;
};
//虚拟继承，防止数据冗余
class Student:public Person{
protected:
  int _num;
};
class Teacher:public Person{
protected:
  int _id;
};
class Assistant:public student,public Teacher{
protected:
    string _majorCourse;//主修课程
};
int main(){
    Assistant a;
    a._name="peter";
    //需要指定显示指定访问哪个基类的成员可以解决二义性，但数据冗余的问题无法解决
    s.Student::n=_name="xxx";
    s.Teacher::_name="yyy";
    return 0;
}

7.2虚继承

C++的语法复杂，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。

cpp 复制代码

class Person{
public:
  string _name;
};
//虚拟继承，防止数据冗余
class Student:virtual public Person{
protected:
  int _num;
};
class Techer:virtual public Person{
protected:
  int _id;
};
class Assistant:public student,public Teacher{
protected:
    string _majorCourse;//主修课程
};
int main(){
    Assistant a;
    a._name="peter";
    return 0;
}

我们可以设计出多继承，但不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承后，无论是使用还是底层都是复杂很多。虽然有多继承语法支持，就一定会存在设计出菱形继承，像Java是不支持多继承的，就避开了菱形继承。

cpp 复制代码

class Person{
public:
  Person(const string& name)
    :_name(name)
  {}
protected:
  string _name;
};
//虚拟继承，防止数据冗余
class Student:virtual public Person{
public:
  Student(const string& name,int num)
    :Person(name)
    ,_num(num)
  {}
protected:
  int _num;
};
class Techer:virtual public Person{
public:
  Techer(const string& name,const int id)
    :Person(name)
    ,_id(id)
  {}
protected:
  int _id;
};
//菱形继承
class Assistant:public Student,public Teacher{
public:
    Assistant(const string name1,const string name2,const string name3)
        :Person(name3)
        ,Student(name1,1)
        ,Teacher(name2,2)
    {}
protected:
    string _majorCourse;
};
int main(){
    //a对象中_name是"张三"，"王五"，"李四"中的哪个
    Assistant a("张三","李四","王五");
    return 0;
}

7.3多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是（C）

A: p1==p2==p3 B:p1<p2<p3 C:p1==p3!=p2 D:p1!=p2!=p3

cpp 复制代码

class Base1{
pubilc:
    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;
}

7.4IO库中的菱形虚拟继承

cpp 复制代码

template<class CharT,class Traits=std::char_traits<CharT>>
class basic_ostream:virtual public std::basic_ios<CharT,Traits>
{};
template<class CharT,class Traits=std::char_traits<CharT>>
class basic_istream:virtual pubilc std::basic_ios<CharT,Traits>
{};

8.继承和组合

8.1继承和组合

●public继承是一种is---a的关系。既每种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。

●继承允许你根据基类的实现来派生类的实现。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"是相对可视化而言：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，对派生类有很大影响。派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度很高。

●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。组合类之间没有何强的依赖关系，耦合度低。优先使用对象组合有助于我们保持每个类被封装。

●优先使用组合，而不是继承。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）也适合用组合（has---a），就用组合。

C++起始之路——继承

目录

1.继承的概念及定义

2.基类和派生类间的转换

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.继承与静态函数

7.多继承及其菱形继承问题

8.继承和组合

1.继承的概念及定义

1.1继承的概念

1.2继承定义

1.2.1定义格式

1.2.2继承类成员访问方式的变化

1.3继承类模板

2.基类和派生类间的转换

3.继承中的作用域

3.1隐藏规则

3.2考察继承作用域相关选择题

3.2.1A和B类中的两个func构成什么关系（B）

3.2.2下面程序的编译运行结果是什么（A）

4.派生类的默认成员函数

4.1 4个常见默认成员函数

4.2实现一个不能被继承的类

5.继承与友元

6.继承与静态函数

7.多继承及其菱形继承问题

7.1继承模型

7.2虚继承

7.3多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是（C）

7.4IO库中的菱形虚拟继承

8.继承和组合

8.1继承和组合