【C++】C++中的继承

1.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。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
};
// 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。
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;
}

如上可以看到，我们可以通过继承父类的成员变量和成员函数使得子类也同样拥有，实现了代码的复用。

1.2 继承定义

1.2.1 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。

1.2.2 继承关系和访问限定符

继承关系一共有三种：public继承、protected继承、private继承。访问限定符有：public访问、protected访问、private访问。

基类成员被继承后在子类对象中的访问权限变化：

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

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。
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。
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)，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，不过最好显示的写出继承方式。
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。

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。这里基类如果是多态类型，可以使用RTTI(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个不懂没关系，先了解一下）。

如上：当子类给父类赋值时，子类会把属于父类的部分切下来给给父类，引用和指针也是如此，基类的引用是派生类中属于基类那一部分成员的别名，基类的指针指向派生类中属于基类的那一部分。

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;
    sobj._No = 5;
    // 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;
}

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。

// 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);
};

注意：虽然A类中的func函数和B类中的func函数同名且参数不同，但因为两者不在同一作用域，所以不够成重载，重载函数一定是在同一作用域。

4.派生类的默认成员函数

关于类的默认成员函数，我们在这里在回顾一下：在C++类中成员变量一共分为两类—内置类型和自定义类型。各个默认成员函数对他们的处理可以用以下来概括：

	构造	析构	拷贝	赋值
内置类型	不处理	不处理	完成内置类型值拷贝	完成内置类型浅拷贝
自定义类型	调用自定义类型的构造	调用自定义类型的构造	调用自定义类型的拷贝	调用自定义类型的赋值

注：取地址重载和const取地址重载这两个默认成员函数我们一般使用编译器默认生成的即可，这里暂不考虑它们。

派生类默认成员规则如下：

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。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

简而言之，以上规则可以归为两点：

派生类的成员变量分为三类 – 内置类型、自定义类型以及父类成员变量，其中派生类成员函数对内置类型和自定义类型的处理和普通类的成员函数一样，但是父类成员变量必须由父类成员函数来处理；
派生类的析构函数非常特殊，它不需要我们显式调用父类的析构函数，而是会在子类析构函数调用完毕后自动调用父类的析构函数，这样做是为了保证子类成员先被析构，父类成员后被析构 (如果我们显式调用父类析构，那么父类成员变量一定先于子类成员变量析构)。同时，子类析构和父类析构构成隐藏。

举例：

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
};
int main()
{
    Student s1("jack", 18);
    Student s2("rose", 17);
    Student s3(s2);
    s1 = s2;
    return 0;
}

（1）父类没有提供默认构造，所以我们需要在子类构造函数的初始化列表处显式调用父类构造来完成父类成员的初始化；

（2）子类的拷贝构造必须调用父类的拷贝构造完成对父类成员的拷贝，同时这里还存在子类对象赋值给父类对象 (切片) 的问题，s 是 Student 的对象，而父类拷贝构造需要的参数是 Person 对象，但是这里我们能够直接将 s 作为父类拷贝构造参数，且中间并不存在类型转换；

（3）子类的赋值重载必须调用父类的赋值重载完成父类成员的赋值，这里需要特别注意，由于子类父类赋值重载函数的函数名相同，构成隐藏，所以我们调用父类赋值重载时必须指定父类作用域，否则会无线递归调用子类赋值重载；同时，这里也存在子类对象赋值给父类对象的问题；

（4）子类析构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，同时子类析构和父类析构函数名都会被处理成 destructor，构成隐藏；

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

要想使子类的_stuNum成员可以访问，可以在子类中也添加友元：

注意：除非逼不得已的情况下，友元能不用就不用，因为友元破坏了我们类的封装性。

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; }

	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
};
void TestPerson()
{
	Person p;
	Student s;
	p._name = "父类";
	s._name = "子类";
	p._count++;
	s._count++;
	cout << p._name << ":" << p._count << endl;
	cout << s._name << ":" << s._count << endl;
	cout << p._name << ":" << &p._count << endl;
	cout << s._name << ":" << &s._count << endl;

}
int main()
{
	TestPerson();
	return 0;
}

可以看到，子类和父类共用同一个静态成员实例，因为父子类中的静态成员是同一地址。总之，静态成员属于整个类，所以对象。同时也属于所以派生类及其对象。

6.2 经典面试题

分析以下代码，程序的运行结果分别是什么，并解释其原因：

class Person {
public:
	Person() { ++_count; }

	void Print() {
		cout << this << endl;
	}

public:
	string _name; // 姓名
	static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person::_count = 0;  //在类外对静态成员进行定义初始化

int main()
{
	Person* ptr = nullptr; 
	cout << ptr->_name << endl;   //1
	ptr->Print();                 //2
	cout << ptr->_count << endl;  //3
	
	(*ptr).Print();                //4
	cout << (*ptr)._count << endl; //5

	return 0;
}

1 ：编译错误，name 是 Person 类中的普通成员变量，存在于对象里面，当我们访问 name 时，编译器会到 ptr 指向的 Person 对象中去取 name，此时发生空指针解引用问题；

2 ：正确Print() ，是 Person 类中的成员函数，成员函数存在于代码段，不存在对象里面，调用成员函数需要传递 this 指针，刚好 ptr 也是 Person 类型的指针，所以 ptr 的值 0x0000 会被当作 this 指针传递给 Print() 函数；同时，Print() 函数内部并没有访问普通成员变量，所以不会发生空指针解引用问题；

3：正确count ，是静态成员变量，存在于静态区，不存在对象里面，访问 count 时编译器会直接到静态区取数据，所以不会对 ptr 解引用，此处 ptr 的作用是指明类域，等价于 Person::_count；

4、5 ：正确，虽然这里看起来对 ptr 进行了解引用，但其实并没有，这两句代码经过编译器处理后等价于 2、3：

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：菱形继承有数据冗余和二义性的问题。 比如：

student和Teacher都继承了Person的_name成员，而Assistant又同时继承了Student和Teacher的成员，所以Person的成员在Assistant中就会存在两份，造成数据冗余和二义性的问题。

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
};
 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 = "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";
}

7.1、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

1. 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。

2. 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。

3. 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。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。