C++基础语法——继承

1.继承是什么？

继承是一种面向对象编程的概念，它允许一个类（称为子类或派生类）从另一个类（称为基类或父类）继承属性和方法。继承使得子类能够使用基类已有的代码，并且可以在此基础上进行扩展或修改。继承后，子类可以获得基类的数据成员和成员函数，并且可以在自己的代码中添加新的数据成员和成员函数。子类可以重写（覆盖）继承自基类的方法来实现自己的行为，也可以通过继承实现代码的复用，从而减少重复编写相似代码的工作量。

2.如何定义与书写继承？

在这里我们先举一个例子

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
};

同一个人它有可能同时具有多重身份，在上述例子中他可能就同时具有老师和学生两个身份，这两个身份有一些相同点（如它们都是人，所具有的年龄和姓名不会变化），也有一些不同点（如作为老师时有工号，学生时有学号） 。了解这个例子之后我们大概就了解到了继承是什么，那么我们如何来书写它呢？

一般的继承如上图所示书写，冒号后的继承方式可以省略（class类默认的继承方式为private，struct类的默认继承方式为public） 

3.继承关系与访问限定符及访问关系的变化

继承方式与访问限定符如上图所示，而继承方式与访问限定符互相结合便有以下9种情况

通俗一点来说，就是只要是有private修饰的成员（或继承方式）在派生类中均不可见（即在派生类的类里类外均无法访问），而其他情况子类的访问方式由最小的权限确定，权限比较：public > protected > private。

4.基类与派生类的赋值转换

对于之前的例子我们可以发现

在这里我们使用以下代码测试

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 Teacher : public Person
{
public:int _jobid; // 工号
};int main()
{Teacher tobj;// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用Person pobj = tobj;Person* pp = &tobj;Person& rp = tobj;//2.基类对象不能赋值给派生类对象tobj = 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 = &tobj;Teacher * ps1 = (Teacher*)pp; // 这种情况转换时可以的。ps1->_jobid = 10;pp = &pobj;Teacher* ps2 = (Teacher*)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->_jobid = 10;return 0;
}

 可以发现

1.派生类对象可以赋值给基类的对象 / 指针 / 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。即上图中的红线部分。
2.基类对象不能赋值给派生类对象。因为派生类对象是以基类对象为基础拓展的类，派生类中含有基类没有的未知项，因此基类无法赋值给派生类。

3.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。

5.基类与派生类成员的作用域

1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
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，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）
3. 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。
4. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

我们以下面这段代码为例

class Person
{
protected:string _name = "小李子"; // 姓名int _num = 111; // 身份证号
};class Student : public Person
{
public:void Print(){int _num = 0; // 初始号cout << " 姓名:" << _name << endl;cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;cout << " 学号:" << Student::_num << endl;cout << " 初始号:" << _num << endl;}
protected:int _num = 999; // 学号
};int main()
{Student s1;s1.Print();return 0;
};

 运行有

其实这里实际上与命名空间的作用域类似，查找一个临时变量（成员）时，优先在本函数域内查找，如果没找到就在其他层的域中寻找，此外也可以直接使用预作用限定符到指定域中查找。

值得注意的是，成员函数间构成隐藏时只需要同名即可，因此下面的两个fun函数并不构成重载（不在同一作用域）。 

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;}
};

6.继承中的默认成员函数

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。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。
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。
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派生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基类的析构。
7. 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。

我们使用如下的代码来验证

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(s1);Student s3("rose", 17);s1 = s3;return 0;
}

 我们先运行s1，有

再然后运行s2有 

 将s3赋值给s1有

 

 总结如下图所示

7.继承中的友元

友元关系不能继承，也就是说基类的友元不能访问子类私有和保护成员，举以下的代码为例

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;
}int main()
{Person p;Student s;Display(p, s);return 0;
}

运行如下

可以看到，继承后不能访问Student的成员，如果想要访问需要在Student类中再声明一次。通俗来说就是父亲的朋友不一定是儿子的朋友，要是想要儿子的东西首先需要和儿子做朋友。

8.继承中的静态成员

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 。意思就是在基类中定义了静态成员后，往后的所有派生类在使用这个静态成员都共用同一空间，相当于是此静态成员的引用。对于下面这段代码

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

经过调试我们可以查看不同派生类中的静态成员地址，有

可以验证我们上面的结论。

9.菱形继承与虚拟菱形继承

①菱形继承是什么？

在了解菱形继承前我们得先了解单继承与多继承

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，如

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，如

菱形继承（Diamond Inheritance）是指在C++继承体系中出现的一种特殊情况，其中一个派生类从两个不同的基类继承，而这两个基类又共同继承自同一个基类。由于多重继承的特性，派生类会在继承链中多次拥有同一个基类的成员，形成一个菱形的继承图。

举个例子

②菱形继承的缺点

以如下代码为例

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
};

从上面的对象成员模型构造，不难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，且访问_name成员时无法知道访问哪一个

③如何解决菱形继承的问题？

既然如此，那要如何解决呢？首先是二义性的问题，这里可以显示指定访问父类成员，即

int main()
{Assistant a;// 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";return 0;
}

但是仍无法解决数据冗余的问题，对此C++引入了虚拟菱形继承

代码如下

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
};

测试有

此时便没有任何问题

④虚拟菱形继承的底层

那么虚拟菱形继承是如何实现的呢？

在这里，我们用下面的代码测试

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;
}

我们先来看菱形继承的情况

在调试中我们取出d的地址观察有

 

根据对照我们可以得到它的结构，即

我们可以明显发现在d这个对象中，_a生成了两份造成了数据的冗余。

那再来看虚拟菱形继承的情况

取出d的地址观察有

根据对照我们可以得到它的结构，即

可以看到B和C中第一个存放的分别是一个地址，我们观察这两个地址可以发现

在这里第二列存入的数字其实是当前地址与_a地址相差量，即与_a的偏移量。那么它是如何被设计出来的呢？在如下场景的时候

int main()
{D d;d._a = 1;B b;b._a = 2;b._b = 3;B* ptr = &b;ptr->_a++;ptr = &d;ptr->_a++;return 0;
}

此时的ptr是无法知道自己指向的到底是基类还是派生类，所以如果他要寻找到_a的话，那么只需要在对应成员存放的地址中找出偏移量，将存放的地址加上该偏移量就可以找到_a。

下图是之前的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：

⑤一些问题的思考

如果虚拟继承的基类中不止一个成员变量，在最终的地址中偏移量如何存放？

测试代码如下

class A
{
public:int _a;int _e;int _f;
};// 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::_e = 6;d.C::_e = 7;d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;d.B::_f = 8;d.C::_f = 9;return 0;
}

检测有

结论：在有多个变量时，它们按声明顺序依次存放在最后，而在B与C类中，存放的偏移量始终是最后第一个变量的地址与当前地址的差值。

10.继承与组合

1. 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。
2. 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。

3. 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。
4. 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。
5. 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。

下面我们作出一些解释，首先是is-a与has-a在这里的体现，举个例子，老师是一个人，学生也是一个人，所以此时继承相性较好，而一个学校是有一个人（很多人），那么此时组合相性较好。用代码描述就是

// 继承
class Person
{
public:string _name;
};class Student : public Person
{
protected:int _num;
};// 组合
class Person
{
public:string _name;
};class School
{
private:Person _p1;Person _p2;// ...
};

在上面这段代码中，我们可以明显发现，在继承中，父类在子类中是可见的，而子类也是以父类为基础而改良的类，因此当父类发生变化后子类也同时需要进行相应的变化，这样就叫做高耦合；而在组合中，需要做的只是调用该类的接口，而不需要关心其内部的实现，并且当调用的类发生变化后不会影响到自己，这样就叫做低耦合。因此在实际中，可以使用组合的时候应该尽量使用组合来实现低耦合。