(C++)继承

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定义格式

1.2.2继承方式和访问限定符

1.2.3继承基类成员访问方式的变化

2.基类和派生类对象赋值转换

RTTI(了解，后面的文章有介绍)：

3.继承中的作用域

4.派生类的默认成员函数

5.继承与友元

6.继承与静态成员

7.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

8.继承的总结和反思

OOP原则

9.笔试面试题

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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//基类
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
public:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18; // 年龄
};

class Student : public Person //派生类
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "学生" << " - " << "学号：" << _stuid << endl;
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	int _stuid = 242131107; // 学号
};

class Teacher : public Person //派生类
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "老师" << " - " << "工号：" << _jobid << endl;
		cout << "name:" << _name <<endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	int _jobid = 20240322; // 工号
};
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Teacher t;
	s._age = 10;
	s._name = "张三";
	t._age = 20;
	t._name = "李四";
	s.Print();
	t.Print();

	//s.Person::Print();//派生类也可以调用基类的成员函数
	return 0;
}

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(拷贝/实例化一份或者引用)。这里体现出了Student和Teacher复用了Person的成员。可以使用监视窗口查看Student和Teacher对象，可以看到变量的复用。调用Print可以看到成员函数的复用。

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继承方式和访问限定符

1.2.3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

总结：
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和使用它。
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(父子类内可以访问和使用，父子类外不可以访问和使用)。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，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. 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

1.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。

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。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：这里先了解一下）。

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;
	// 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;
}

RTTI(了解，后面的文章有介绍)：

RTTI 是 RunTime Type Information 的缩写，表示在运行时获取类型信息。在 C++ 中，RTTI 允许你在程序运行时查询对象的类型信息，以及进行基类指针或引用到派生类指针或引用的安全转换。

在多态（polymorphism）的情况下，当基类指针或引用指向一个派生类对象时，你可以使用 dynamic_cast 运算符来进行安全的类型转换。dynamic_cast 提供了在运行时进行类型检查的机制，以确保转换是有效的。

以下是一个使用 dynamic_cast 进行类型转换的简单示例：

#include <iostream>

class Base {
    public:
    virtual ~Base() {}  // 基类通常需要一个虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
void derivedFunction() {
    std::cout << "Derived function" << std::endl;
}
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();

    // 下面这部分和上面代码的第3点，基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针作用是类似的
    // 使用 dynamic_cast 进行安全的类型转换
    Derived* derivedPtr = dynamic_cast<Derived*>(basePtr);

    if (derivedPtr) {
        // 转换成功，可以安全地使用 derivedPtr
        derivedPtr->derivedFunction();
    } else {
        // 转换失败，basePtr 实际上不指向一个 Derived 对象
        std::cout << "Failed to cast to Derived" << std::endl;
    }

    delete basePtr;

    return 0;
}

在这个例子中，Base 是基类，Derived 是派生类。通过使用 dynamic_cast，我们可以在运行时检查 basePtr 是否指向一个 Derived 对象，并且如果是，就安全地将其转换为 Derived* 类型。这使得在多态的情况下进行类型转换更加安全和可靠。

dynamic_cast 在某种程度上类似于强制转换，但它有一些重要的区别。主要的区别在于 dynamic_cast 提供了在运行时进行类型检查的机制，以确保转换是有效的，这使得它更加安全。

1. 安全性：dynamic_cast 在运行时执行类型检查，确保了类型转换的安全性。如果转换是不安全的（例如，基类指针并不指向派生类对象），dynamic_cast 会返回一个空指针（对于指针）或者抛出一个 std::bad_cast 异常（对于引用）。这种行为避免了在转换不安全的情况下出现未定义的行为。
2. 只能用于多态类型：dynamic_cast 主要用于多态类型，也就是基类需要至少一个虚函数(多态里面介绍，被virtual修饰的函数就叫做虚函数)。这样，dynamic_cast 可以利用运行时的类型信息进行检查。对于非多态类型，使用 dynamic_cast 是不合法的。
3. 用法：dynamic_cast 通常用于将基类指针或引用转换为派生类指针或引用。它在类层次结构中的向上和向下转换都是可用的，而且在转换失败时提供了安全的错误处理机制。

相反，C-style(风格) 的强制转换（例如，static_cast、reinterpret_cast）是在编译时进行的，不进行运行时类型检查。这使得它们在某些情况下更加灵活，但也带来了风险，因为它们无法在运行时捕获类型不匹配的错误。

总体而言，dynamic_cast 提供了更安全、更受控的类型转换机制，特别适用于处理多态类型的情况。

3.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。（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。

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

//隐藏/重定义：子类和父类有同名成员，子类的成员隐藏父类的成员
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << " 姓名:" << _name << endl;
		cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;//显示访问
		cout << " 学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};
int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();

	return 0;
}

问题：两个fun函数构成什么关系？

// 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/重定义，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。
//父子类域中，成员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;
	}
};

int main()
{
	B b;
    //b.(); -- 报错
	b.fun(10);

	return 0;
};

4.派生类的默认成员函数

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属于基类的那一部分成员。如果基类没有默认的构造函数(注：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。)，则必须在派生类构造函数的初始化列表阶段显示调用。(意思就是除了上面的三种默认构造函数，其他的构造函数需要派生类在实现自己的构造函数的时候就需要显示调用基类的构造函数。)
2. 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成属于基类成员的拷贝初始化。
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. 派生类对象在初始化时会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; // 姓名
};

class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name = "zhangsan", int id = 0)
		//1.:_name(name)//禁止派生类初始化基类成员
		//2.派生类在调用构造函数时必须要先调用基类的构造函数所以要写在派生类成员初始化列表前面，因为初始化列表按定义顺序进行初始化
		:Person(name) //调用方法：显示调用基类构造函数，实际上就是定义一个匿名对象
		,_id(0)
	{}

	Student(const Student& s)//我只有一个派生类成员该怎么调用基类的拷贝构造？
		:Person(s) //直接进行传参即可，根据定义：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。 -- 切割或切片
		//如果不显示调用基类拷贝构造这种行为也是错误的，因为他不会默认调用拷贝构造而是默认调用构造函数，所以我们要显示调用
		,_id(s._id)
	{}

	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s);//因为构成重定义所以需要显示调用
			_id = s._id;
		}

		return *this;
	}

	~Student()
	{
		//由于后面多态的原因,析构函数的函数名被
		//特殊处理了，统一处理成destructor

		//显示调用父类析构，无法保证先子后父
		//所以子类析构函数完成就自动调用父类析构，这样就保证了先子后父，编译器自动调用即可
		//为什么要保证先子后父？
		//1.符合在栈里面的定义
		//2.因为先析构父类的话，子类在没有析构前有可能会调用到父类的成员
		//如果先析构子类，父类不会调用到子类的成员 -- 子可以用父，父不能用子
		//Person::~Person();
	}
protected:
	int _id;
};

int main()
{
	Student s1;
	Student s2(s1);

	Student s3("李四", 1);
	s1 = s3;

	return 0;
}

注：基类的析构函数是由编译器自动调用的。当一个对象被销毁时，编译器会自动调用其析构函数。

在继承关系中，如果子类没有显式定义自己的析构函数，那么编译器会默认生成一个析构函数，其中会自动调用基类的析构函数以完成基类对象的销毁工作。

只有在某些特定情况下，子类需要在自己的析构函数中做一些额外的清理工作或资源释放时，才需要显式定义自己的析构函数，并在其中调用基类的析构函数。这样可以确保在子类对象被销毁时，基类和子类的析构函数都会被正确地调用。

总结来说，基类的析构函数是编译器自动调用的，子类不需要显示调用基类的析构函数，除非子类需要自己定义析构函数并在其中调用基类的析构函数。

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。友元关系不能继承。这意味着如果一个类被声明为另一个类的友元，那么这个友元类的成员函数可以访问该类的私有和保护成员，但它并不能自动地访问该类的派生类的私有和保护成员。因此在派生类中，即使基类将某个类声明为友元，它也无法直接访问派生类的私有和保护成员。

class Student;
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
	//friend void Display(const Person& p, const Student& s); //只要派生类也定义友元即可

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;
}

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 。

//静态成员属于父类和派生类
//派生类中不会单独拷贝一份，继承的使用权
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
};

int main()
{
	Person p;
	Student s;

	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;

	cout << &Person::_count << endl;
	cout << &Student::_count << endl;

	return 0;
}

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，只要有一个公共的基类都算是菱形继承

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。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	int _age;
};

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()
{
	Assistant as;
	//as._age = 18;//直接访问会报错，因为有两份_age产生二义性无法明确知道访问的是哪一个

	//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
	as.Student::_age = 18;
	as.Teacher::_age = 30;

	return 0;
}

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。只需要在继承方式前面加上virtual关键字就变成虚拟继承。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	int _age;
};

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 as;
	as._age = 18;

	return 0;
}

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 : 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.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	d._a = 0;

	B b;
	C c;
	B* ptr1 = &b;
	ptr1->_a++;
	C* ptr2 = &c;
	ptr2->_a++;


	return 0;
}

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OOP(oop：指面向对象语言)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。(即B对象中定义了一个A对象成员)
• 优先使用对象组合，而不是类继承 。因为组合高内聚，低耦合。
• 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。

OOP原则

面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）原则是为了更好地组织和管理代码而提出的一系列设计理念。其中最著名的五个原则被称为SOLID原则，它们分别是：

1. 单一职责原则（Single Responsibility Principle, SRP）：它指出一个类应该只有一个引起变化的原因，也就是说一个类应该只负责一项任务或者某一个方面的事情。
2. 开闭原则（Open-Closed Principle, OCP）：软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改封闭。这意味着设计时应该允许在不修改现有代码的情况下增加新功能。
3. 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle, LSP）：子类型必须能够替换掉它们的基类型，而不破坏程序的正确性。换句话说，子类应当能够像其基类一样在程序中被使用。
4. 接口隔离原则（Interface Segregation Principle, ISP）：客户端不应该被迫依赖于它们不使用的接口，即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
5. 依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle, DIP）：高层模块不应依赖于低层模块，两者都应依赖于抽象。抽象不依赖于细节，细节依赖于抽象。

9.笔试面试题

1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

下面是它们的简要解释：

1. 菱形继承：

• • 菱形继承是指一个派生类同时继承自两个间接基类，而这两个间接基类又共同继承自同一个基类，形成了一个菱形的继承结构。
  • 问题是，由于派生类同时继承了两个基类，这两个基类又共同继承自同一个基类，因此在派生类中会存在两份相同的基类子对象，导致了数据的冗余。 

1. 菱形虚拟继承：

• • 菱形虚拟继承是一种解决菱形继承问题的方法。通过使用虚拟继承，可以确保在继承链中共享同一个基类子对象，从而避免了数据的冗余。
  • 解决数据冗余和二义性的关键在于，使用虚拟继承使得共同基类在派生类中只存在一份实例，从而解决了数据冗余问题。同时，通过虚拟继承，可以确保在多重继承的情况下，只有一个共同的基类子对象，消除了二义性。

1. 继承和组合的区别：

• • 继承是一种 IS-A（是一个）关系，它表示一个类（子类）是另一个类（父类）的一种类型。通过继承，子类可以继承父类的成员变量和成员函数，并且可以扩展或修改它们。继承表达了类之间的一种分类或分类关系。
  • 组合是一种 HAS-A（拥有一个）关系，它表示一个类（容器类）包含另一个类（成员对象）作为其成员变量。通过组合，一个类可以使用另一个类的功能，但并不继承其接口或实现。组合通常用于表示整体与部分的关系，或者在一个类中使用另一个类的功能而不继承其接口。
  • 当需要表达一种分类或分类关系时，通常使用继承。例如，当子类可以被视为父类的一种类型时，使用继承是合适的。
  • 当一个类包含另一个类作为其一部分，并且这种关系不是一种分类关系时，通常使用组合。例如，当一个汽车对象包含引擎对象时，这种关系更适合使用组合，因为汽车并不是一种引擎。