C++继承：如何让代码‘继承‘百万家产？

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前言

本篇博客将详细介绍C++的继承

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🖥 文章专栏：C++

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1.继承

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。

比如下面的代码，我们设计的Student和Teacher两个类中都有姓名/地址/电话/年龄等成员变量，我们公共的成员都放到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:
	//进入校园刷二维码等身份认证
	void identity()
	{
		cout << "void identity()" << _name << endl;
		cout << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三";
	string _address;
	string _tel;
	int _age = 18;
};

class Student : public person
{
public:
	void stusdy()//学习
	{
		
	}
protected:
	int _id;
};

class Teacher : public person
{
public:
	void teaching()//教课
	{
		
	}
protected:
	int _position;
};

1.2继承的定义

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。(因为翻译的原因，所以既叫基类/派⽣类，也叫⽗类/⼦类)

1.2.2 继承基类成员访问⽅式的变化

1.基类private成员在派生类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被继承到了派生类对象中，但是语法限制派生类对象不管在类里面还是类外面都不能访问。

2.基类private成员在派生类中是不可访问的，如果基类成员不想再类外面直接被访问，但需要再派生类中能访问，就定义为protected，从这里可以看出来保护成员限定符因为继承才出现的。

3.我们对上面的表格进行一下总结可以发现，基类的私有成员在派生类中都是不可见的，基类的其他成员在派生类中的访问方式==Min(成员在基类的访问限定符，继承式)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派⽣类的类⾥⾯使⽤，实
际中扩展维护性不强。

1.3继承类模板

继承类模板允许一个类从一个模板类派生，从而继承了模板类的所有成员和特性。继承类模板可以通过继承类模板的方式创建一个新的模板类，并可以在派生类中使用父类模板的成员和方法。

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

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

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

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

以上代码需要注意的是在派生类中实现成员方法时，如果基类是模板类，需要指定类域。

2.基类和派⽣类间的转换

1.public继承的派⽣类对象可以赋值给基类的指针 / 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。
2.基类对象不能赋值给派⽣类对象。

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。

class Person
{
public:
	string _name;
	string _sex;
	int _age;
};

class Student :public Person
{
public:
	int _id;
};

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;

	return 0;
}

3.继承中的作用域

3.1隐藏规则：

1. 在继承体系中基类和派⽣类都有独⽴的作⽤域。
2. 派⽣类和基类中有同名成员，派⽣类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏。
（在派⽣类成员函数中，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。

class Person
{
protected:
	string _name = "小李子"; // 姓名
	int _num = 111; // 身份证号
};

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

3.2继承作用域

下面有两道选择题来检验一下你对继承作用域的理解吧。

3.2.1 A和B类中的两个func构成什么关系（）

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:编译报错 B：运行报错 C：正常运行

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

第一题的答案是隐藏，第二题的答案是编译报错。

4.派生类的默认成员函数

4.1 6个默认成员函数

6个默认成员函数，默认的意思就是指我们不写，编译器会变我们⾃动⽣成⼀个，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。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. 派⽣类的拷⻉构造函数必须调⽤基类的拷⻉构造完成基类的拷⻉初始化。

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(这个我们多态章节会讲解)。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。

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 = "西安市高新区";

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

4.2实现一个不能被继承的类

⽅法1：基类的构造函数私有，派⽣类的构成必须调⽤基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派⽣类看不⻅就不能调⽤了，那么派⽣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，派⽣类就不能继承了。

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，也就是说基类友元不能访问派⽣类私有和保护成员。

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;// 编译报错：error C2248: “Student::_stuNum”: ⽆法访问 protected 成员
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	// 解决⽅案：Display也变成Student 的友元即可
	Display(p, s);
	return 0;
}

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。⽆论派⽣出多少个派⽣类，都只有⼀个static成员实例。

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;
	// 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
	// 说明派⽣类继承下来了，⽗派⽣类对象各有⼀份
	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
	// 说明派⽣类和基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只有一个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时称这个继承关系为多继承。

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

有了继承，就存在菱形继承，有了菱形继承就有了菱形虚拟继承，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。

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
};
int main()
{
	
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	// 使⽤虚继承，可以解决数据冗余和⼆义性
	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
	return 0;
}

我们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。

class Person
{
public:
	Person(const char* name)
		:_name(name)
	{}
	string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		:Person(name)
		, _num(num)
	{}
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
public:
	Teacher(const char* name, int id)
		:Person(name)
		, _id(id)
	{}
protected:
	int _id; // 职⼯编号
};
// 不要去玩菱形继承
class Assistant : public Student, public Teacher
{
public:
	Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3)
		:Person(name3)
		,Student(name1, 1)
		,Teacher(name2, 2)
	{}
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 思考⼀下这⾥a对象中_name是"张三", "李四", "王五"中的哪⼀个？
	Assistant a("张三", "李四", "王五");

	return 0;
}

7.3指针偏转问题

下面正确的是()

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;
}

8.继承与组合

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。
• 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，基类的内部细节对派⽣类可
⻅。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。这种复⽤⻛格被称为⿊箱复⽤(black-boxreuse) 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。
• 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。