深入解析C++继承机制与实战技巧

目录

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继承格式

1.2.2 继承父类成员访问⽅式的变化

1.3 继承类模板

2. 父类和子类间的转换

3. 继承中的作⽤域

3.1 隐藏规则

4. 子类的默认成员函数

4.1 4个常⻅默认成员函数

4.2 实现⼀个不能被继承的类

5. 继承与友元

6. 继承与静态成员

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

7.4 IO库中的菱形虚拟继承

8. 继承和组合

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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。

        下⾯我们看到两个类Student和Teacher，Student和Teacher都有姓名，地址， 电话，年龄等成员变量，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。当然他们也有⼀些不同的成员变量和函数，⽐如⽼师独有成员变量是职称，学⽣的独有成员变量是学号；学⽣的独有成员函数是学习，⽼师的独有成员函数是授课。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Student
{
public:
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		// ...
	}
	// 学习
	void study()
	{
		// ...
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	int _age = 18; // 年龄
	int _stuid; // 学号
};
class Teacher
{
public:
		// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
		void identity()
	{
		// ...
	}
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
	int _age = 18; // 年龄
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	string _title; // 职称
};

那么是否有一种方法能够减少代码的冗余呢？我们可以把公共的成员都放到Person类中，Student和teacher都继承Person，就可以复⽤这些成员，就不需要重复定义了，省去了很多⿇烦。

class Person
{
public:
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		cout << "void identity()" << _name << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	int _age = 18; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	// 学习
	void study()
	{
		// ...
	}
protected:
	int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
public:
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string title; // 职称
};
int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.identity();
	t.identity();
	return 0;
}

1.2 继承定义

1.2.1继承格式

上⾯我们看到Person是基类，也称作⽗类。Student是派⽣类，也称作⼦类。

               

1.2.2 继承父类成员访问⽅式的变化

因为有访问限定符的存在，子类继承父类也有一些规则。

1. 父类private成员在子类中⽆论以什么⽅式继承都是不可⻅的。这⾥的不可⻅是指父类的私有成员还是被继承到了子类对象中，但是语法上限制子对象不管在类⾥⾯还是类外⾯都不能去访问它。

2.父类private成员在子类中是不能被访问，如果父类成员不想在类外直接被访问，但需要在子类中能访问，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. 实际上⾯的表格我们进⾏⼀下总结会发现，父类的私有成员在子类都是不可⻅。父类的其他成员在子类的访问⽅式 == Min(成员在父类的访问限定符，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. 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子类的类⾥⾯使⽤，实

际中扩展维护性不强。

1.3 继承类模板

#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>
using namespace std;

//#define CONTAINER std::vector
//#define CONTAINER std::list
#define CONTAINER std::deque

namespace sy
{
	//template<class T>
	//class vector
	//{};
	// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
	template<class T>
	class stack : public CONTAINER<T>
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域，
            // 否则编译报错:error C3861: “push_back”: 找不到标识符
            // 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了
            // 但是模版是按需实例化，push_back等成员函数未实例化，所以找不到
               CONTAINER<T>::push_back(x);
             //push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			CONTAINER<T>::pop_back();
		}

		const T& top()
		{
			return CONTAINER<T>::back();
		}

		bool empty()
		{
			return CONTAINER<T>::empty();
		}
	};


	template<class T>
	class A
	{
	public:
		A()
		{
			//func();
		}

		void push(const T& x)
		{
			x.func();
		}
	};
}

int main()
{
	sy::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}

	sy::A<int> aa;
	//aa.push(1);

	return 0;
}

2. 父类和子类间的转换

1. public继承的子类对象可以赋值给父类的对象/指针/引⽤。 这⾥有个形象的说法叫 切⽚ 或者 切割 。寓意把子类中父类那部分切出来，父类指针或引⽤指向的是子类中切出来的父类那部分。

2.父类对象不能赋值给子类对象。

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 。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 基类如果是多态类型 ，可以使⽤RTTI(Run-Time Type

Information)的 dynamic_cast 来进⾏识别后进⾏安全转换。

class Person
{
	//多态
	virtual void func()
	{}
public:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};

class Student : public Person
{
public:
	int _No; // 学号
};

int main()
{
	Student sobj;

	// 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;
	rp._name = "张三";

	int i = 1;
	double d = i;
	const double& rd = i;

	//2.父类对象不能赋值给子类对象，这里会编译报错
	//sobj = (Student)pobj;

	Student* ps1 = dynamic_cast<Student*>(pp);
	cout << ps1 << endl;

	pp = &pobj;
	Student* ps2 = dynamic_cast<Student*>(pp);
	cout << ps2 << endl;

	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::父类成员 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。

//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"; // 姓名
	int _num = 1111212121; // 身份证号
};

class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _num << endl;
		cout << Person::_num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

int main()
{

	Student s;
	s.Print();
	return 0;
}
//运行结果：
//999
//1111212121

注意需要区分清楚隐藏和函数重载。

4. 子类的默认成员函数

4.1 4个常⻅默认成员函数

6个默认成员函数，默认的意思就是指我们不写，编译器会给我们⾃动⽣成⼀个，那么在子类中，这⼏个成员函数是如何⽣成的呢？

---

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=，所以要显⽰调⽤父类的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。

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 = "xxx")
		: _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, const char* addrss)
		:Person(name)
		, _num(num)
		, _addrss(addrss)
	{}

	// 严格说Student拷贝构造默认生成的就够用了
	// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现
	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		, _num(s._num)
		, _addrss(s._addrss)
	{
		// 深拷贝
	}

	// 严格说Student赋值重载默认生成的就够用了
	// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			// 父类和子类的operator=构成隐藏关系
			Person::operator=(s);
			_num = s._num;
			_addrss = s._addrss;
		}

		return *this;
	}

	// 严格说Student析构默认生成的就够用了
	// 如果有需要显示释放的资源，才需要自己实现
	// 析构函数都会被特殊处理成destructor() 
	~Student()
	{
		// 子类的析构和父类析构函数也构成隐藏关系
		// 规定：不需要显示调用，子类析构函数之后，会自动调用父类析构
		// 这样保证析构顺序，先子后父，显示调用取决于实现的人，不能保证
		// 先子后父
		/*Person::~Person();
		delete _ptr;*/
	}
protected:
	int _num = 1; //学号
	string _addrss = "阳光大道";

	int* _ptr = new int[10];
};

int main()
{
	Student s1("张三", 1, "北京市");
	Student s2(s1);

	Student s3("李四", 2, "南京市");
	s1 = s3;

	//Person* ptr = new Person;
	//delete ptr;

	return 0;
}
//运行结果
//Person()
//Person(const Person& p)
//Person()
//Person operator=(const Person& p)
//~Person()
//~Person()
//~Person()

总结：

4.2 实现⼀个不能被继承的类

⽅法1： 父类的构造函数私有 ，子类的构成必须调⽤父类的构造函数，但是父类的构成函数私有化以后，子类看不⻅就不能调⽤了，那么子类就⽆法实例化出对象。

⽅法2：C++11新增了⼀个 final关键字 ，final修改基类，子类就不能继承了。

// C++11的⽅法
class Base final
{
public:
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
private:
	// C++98的⽅法
	/*Base()
	{}*/
};

class Derive :public Base
{
	void func4() { cout << "Derive::func4" << 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，也就是说父类友元不能访问子类私有和保护成员。

//前置声明
class Student;
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
	//friend void Display(const Person& p, const Student& s);
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;
	// 编译报错：error C2248: “Student::_stuNum”: ⽆法访问 protected 成员。
	Display(p, s);
	return 0;
}

解决⽅案：Display也变成Student 的友元即可。

6. 继承与静态成员

父类定义了static静态成员，则 整个继承体系⾥⾯只有⼀个这样的成员 。⽆论衍生出多少个子类，都只有⼀个static成员实例。

class Person
{
public:
	string _name;
	static int _count;
};
//类外初始化
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum;
};
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	// 这⾥的运⾏结果可以看到⾮静态成员_name的地址是不⼀样的
	// 说明子类继承下来了，⽗、子类对象各有⼀份
	cout << &p._name << endl;
	cout << &s._name << endl;
	// 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的
	// 说明子类和父类共⽤同⼀份静态成员
	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;
	// 公有的情况下，父、子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

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。

2.多继承：⼀个子类有两个或以上继承父类时称这个继承关系为多继承，多继承对象在内存中的模型是，先继承的父类在前⾯，后⾯继承的父类在后⾯，子类成员在放到最后⾯。

3.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，像Java就直接不⽀持多继承，规避掉了这⾥的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。

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()
{
	// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确
	Assistant a;
	//a._name = "peter";
	// 需要显⽰指定访问哪个基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;
}

7.2 虚继承

        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，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。

使⽤虚继承，可以解决数据冗余和⼆义性。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	/*int _tel;
	int _age;
	string _gender;
	string _address;*/
	// ...
};
// 使⽤虚继承Person类
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
// 使⽤虚继承Person类
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id; // 职⼯编号
};
// 教授助理
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 使⽤虚继承，可以解决数据冗余和⼆义性
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	return 0;
}

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，⽆论是使⽤还是底层都会复杂很多。当然有多继承语法⽀持，就⼀定存在会设计出菱形继承，像Java是不⽀持多继承的，就避开了菱形继承。

7.3 多继承中指针偏移问题

下⾯说法正确的是( )

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

class Base1 { public: 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;
}

7.4 IO库中的菱形虚拟继承

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 public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};

8. 继承和组合

1.public继承是⼀种 is-a 的关系。也就是说每个子类对象都是⼀个父类对象。

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.继承允许你根据父类的实现来定义子类的实现。这种通过⽣成子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，父类的内部细节对子类可⻅ 。继承⼀定程度破坏了父类的封装，父类的改变，对子类有很⼤的影响。 子类和父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。这种复⽤⻛格被称为⿊箱复⽤(black-box reuse)， 因为对象的内部细节是不可⻅的。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.优先使⽤组合，⽽不是继承。实际尽量多去⽤组合， 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)也适合组合(has-a)，就⽤组合。

// Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合has-a的关系
class Tire {
protected:
	string _brand = "Michelin"; // 品牌
	size_t _size = 17; // 尺⼨
};
class Car {
protected:
	string _colour = "⽩⾊"; // 颜⾊
	string _num = "陕ABIT00"; // ⻋牌号
	Tire _t1; // 轮胎
	Tire _t2; // 轮胎
	Tire _t3; // 轮胎
	Tire _t4; // 轮胎
};

class BMW : public Car 
{
public:
	void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};
// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class Benz : public Car 
{
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};
template<class T>
class vector
{};
// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class stack : public vector<T>
{};
template<class T>
class stack
{
public:
	vector<T> _v;
};
int main()
{
	return 0;
}