深入浅出C++ ——继承

一、继承的相关概念

1. 继承的概念

  继承机制(inheritance)是面向对象程序设计使代码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。

举例：Student类和Teacher类继承自Person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
};
// 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;
}

程序结果如下所示：

  可以看出Student类s对象和Teacher类t对象继承了Persont类的_name和_age成员变量和Print成员函数，所以调用s和t对象的Print函数。

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2. 继承格式

  在上述的代码中，Person是父类，也称作基类， Student是子类，也称作派生类。

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3. 继承方式

继承方式分为public继承、protected继承、private继承

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4. 访问限定符

继承方式分为public访问、protected访问、private访问

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5. 继承基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
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

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)，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. 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。

6. 私有成员的意义是：不想被子类继承的成员，设计为(private)私有。基类中给子类复用，但是又不想暴露直接访问的成员就应该定义为(protetced)保护。

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二、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。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，但是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，前提是基类的指针是指向派生类对象时才是安全的。

class Person
{
protected :string _name; // 姓名int _age; // 年龄
};class Student : public Person
{
public :int _stuid ; // 学号
};int main()
{Student s;// 1.公有继承的前提下，子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用// 这里虽然是不同类型，但不是隐式类型的转换，是特殊的语法支持Person p = s ;	Person* pp = &s;Person& rp = s;//2.基类对象不能赋值给派生类对象s = p;	//err// 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 = &s;Student* ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的。ps1->_stuid = 10;pp = &p;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->_stuid = 10; return 0;
}

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三、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。
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。如果想在子类成员函数中访问父类中的成员，可以使用基类::基类成员显示访问。
3. 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。

举例 : Person类作为父类，Student作为子类继承自Person类，但Student的_age和Person的_age构成隐藏关系。

// Student的_age和Person的_age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 = "小明"; int _age = 18; 
};class Student : public Person
{
public:void Print(){cout<<_name<< endl;			//打印结果为小明cout<<Person::_age<< endl;	// 18	cout<<_age<<endl;			// 23}
protected:int _age = 23; 
};int main()
{Student s1;s1.Print(); 
};

  注意区分函数重载和函数重定义，下面代码中，B类的fun函数和A类中的fun函数不能构成重载。对象里面不存储成员函数，成员函数放到公共代码段中，编译器去找的时候有域的限制，因为这两个函数不再同一作用域中，所以不能构成重载。

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;}
};

  fun的参数不同，但是C++规定只要在父子类中成员函数的函数名相同就可以构成隐藏，所以A和B中的fun成员函数构成隐藏关系。

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四、派生类的默认成员函数

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。

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 ; 
}class Student : public Person
{
public :Student(const char* name, int num): Person(name) //子类把父类当作一个整体去初始化, _num(num){cout<<"Student()" <<endl;}Student(const Student& s): Person(s)   //切片的意义，子类的对象传给父类的引用，该引用指向父类中切片的那一部分, _num(s ._num){cout<<"Student(const Student& s)" <<endl ;}//只有涉及深拷贝时候，才去写拷贝构造Student& operator = (const Student& s ){cout<<"Student& operator= (const Student& s)"<< endl;if (this != &s){Person::operator =(s); //切片_num = s ._num;}return *this ;}~Student(){cout<<"~Student()" <<endl;}
protected :int _num ; 
};

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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。举例：当Display函数是Person类的友元函数时，意味着Display函数可以访问Person类的私有和保护成员。但是继承给子类时，友元关系不能被继承，Display函数不能访问Student类的私有和保护成员。

class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name;
};class Student : public Person
{
protected:int _Num; 
};void Display(const Person& p, const Student& s)
{cout << p._name << endl;cout << s._Num << endl;		//err Student:_NUm不可访问
}
void main()
{Person p;Student s;Display(p, s);
}

  上述程序， 如果Display想要访问到Student类的私有成员和保护成员，只能将Display函数写为Student类的友元函数。

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六、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 :static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person :: _count = 0;

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七、菱形继承及菱形虚拟继承

1. 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，上面的例子都是单继承的样例。

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2. 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

class B
{};
class C
{};
class D:public B,public C
{};

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3. 菱形继承

  菱形继承是多继承的一种特殊情况

class A
{
public:int _a;
};
class B: public A
{
public:int _b;
};
class C: public A
{
public:int _c;
};
class D: public B,public C
{
public:int _d;
};

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简易版D类的对象成员模型

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4. 菱形继承的问题

  从上面的对象成员模型，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。在D的对象中A类的a成员变量会有两份，存在二义性，用D类对象访问a时，无法明确访问的是哪一个a，可以显示指定访问哪个父类a成员的解决二义性问题。虽然该的方法可以解决二义性的问题，但是数据冗余的问题还是没法解决。

D d;
//d._a	//err
d.B::_a;
d.C::_a;

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5. virtual关键字

  C++规定，使用关键字virtual的虚拟继承可以解决菱形继承中二义性和数据冗余的问题，例如上述的例子中，在B和C继承A时使用虚拟继承即可解决这两个问题,此时的A类叫做虚基类。但是要注意，除了这种场景外，不要再其他地方使用虚拟继承。

class A
{
public:int _a;
};
class B: virtual public A
{
public:int _b;
};
class C: virtual public A
{
public:int _c;
};
class D: public B,public C
{
public:int _d;
};
int main()
{D d;d._a=10;
}

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6. 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

  结合上述继承关系求B类型对象的大小，打印的结果为12，明明bb对象中只有两个成员变量_a和_b，为什么多出来4字节的内存空间。

int main()
{D d;d._a=10;B bb;bb._a = 1;bb._b = 2;cout<<sizeof(bb);
}

  通过内存监视窗口可以看出B类型对象在内存中在32位系统下，额外开辟了4字节空间的内存用来存放一个指针（4byte），这个指针叫做虚基表指针，该指针指向一张表，叫做虚基表。

  现在，再回到虚拟继承的原理，基于上述继承关系，结合内存窗口执行此代码可以清晰的看出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。刚刚提到的虚集表指针就派上了用场，通过B和C类的续集表指针，找到续集表，续集表中存放的数值为偏移量，通过偏移量的大小就能找到公共的A。

int main()
{D d;d._a = 0;d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;return 0;
}

当我第一次看到这里时，我提出了一个疑问，为什么B、C要去找A呢？直到我看到了此代码才恍然大悟：

D d;
B b = d;
C c = d;

  在该代码中发生基类和派生类对象赋值转换，派生类对象 d 赋值给基类的对象 b 和 c 时，发生切片操作，赋值的过程中要找到 b 和 c对象中属于A的那部分成员对象才能完成赋值。

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7. 菱形继承关系原理简图

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八、继承的总结

1. 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。
3. 继承为白箱复用(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，即在B类中存在一个A类型的成员变量。组合是has-a的关系，每个B对象中都有一个A对象，继承是是is-a的关系，每个派生类对象都是一个基类对象。
5. 优先使用对象组合，而不是类继承，组合的耦合度低，代码维护性好。组合是一种黑箱复用(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。
6. 实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。
7. C++11提出了一个关键字final修饰类，clas A final，使A类不能被继承。在C++98中可以将父类的构造函数私有化，子类对象实例化时，无法调用构造函数，也可以使父类不能被继承。
8. 要实现多态，必须要继承。