C++ 继承：深度剖析类的“血脉”传承

    在C++的面向对象编程中，继承（Inheritance）是实现代码复用和层次结构的重要特性。通过继承，新的类（派生类）可以从现有的类（基类）中继承属性和行为，从而减少重复代码，并将共同的特性封装在更高层次的基类中。继承不仅使代码更具组织性，还支持多态性和接口共享，使派生类能够在特定场景下提供独特的实现，而不改变原有接口。

1. 继承的概念和定义

1.1.继承的概念

继承允许我们定义一个新类（称为派生类或子类），从已有的类（称为基类或父类）继承其属性和行为，并在其基础上进行扩展，增加方法和属性。

继承的核心概念在于“是一种”（is-a）关系——也就是说，派生类是基类的一个具体化或特化版本。

继承的目的是为了复用代码和组织类结构，主要包含以下几点：

（1）代码复用：派生类自动拥有基类的所有属性和方法，因此可以避免重复代码的编写。

（2）层次化结构：通过继承，不同的类可以构成一个层次结构，从而更清晰地表达不同对象之间的关系。比如，在“动物”基类的基础上，可以定义“猫”和“狗”等具体的派生类。

下面我们看到没有继承之前我们设计了两个类 Student 和T eacher，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。

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
};
int main()
{
	return 0;
}

下面将公共的成员都放到 Person 类中，Student 和 teache r都继承 Person，就可以复用这些成员，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.继承的定义

定义一个派生类（子类）时，可以使用基类（父类）作为其基础，通过不同的访问控制（如 public、protected 或 private）来控制继承的权限。这种继承机制赋予了派生类访问基类的成员，同时也允许派生类扩展或重写基类的功能。

1.2.1.定义的格式

继承方式有public继承、protect继承、private继承三种 

访问限定符有public访问、protect访问、private访问三种 

1.2.2.继承基类成员访问方式

不同的访问控制符对继承有不同的影响：

（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虽然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）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。

（3）在实际运用中一般使用都是 public 继承，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。

（4）public 继承：基类的 public 和 protected 成员在派生类中保持相同的访问级别。也就是说，基类的 public 成员在派生类中仍然是 public 的，protected 成员仍然是 protected 的。

（6）protected 继承：基类的 public 和 protected 成员在派生类中都变成 protected 成员。这种继承方式限制了派生类的成员在类外的访问权限，通常用于内部实现的封装。

（7）private 继承：基类的 public 和 protected 成员在派生类中都变成 private 成员，这意味着它们只能在派生类的内部访问，不对类外部公开。这种继承方式在不希望外界访问基类成员时使用，但依然可以复用基类的实现。

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _name << endl;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
private:
	int _age; // 年龄
};
//class Student : protected Person
//class Student : private Person
class Student : public Person
{
protected:
	int _stunum; // 学号
};

1.3.继承类模版

namespace henu
{
	//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 std::vector<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
			vector<T>::push_back(x);
			//push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			vector<T>::pop_back();
		}
		const T& top()
		{
			return vector<T>::back();
		}
		bool empty()
		{
			return vector<T>::empty();
		}
	};
}
int main()
{
	bit::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	return 0;
}

2.基类和派生类之间的转换

在 C++ 中，派生类和基类之间的转换是继承机制的一个重要部分。通过这种转换，我们可以灵活地在基类和派生类之间进行操作。主要的转换类型包括上行转换和下行转换。

2.1.上行转换（派生类转换为基类）

 - 上行转换是指将派生类对象转换为基类对象。这种转换是隐式的，即不需要显示的类型转换符。上行转换的目的是通过基类的指针或引用来操作派生类对象，是实现多态的基础。

 - 在上行转换时，只能通过基类的接口访问基类的成员，派生类独有的成员将不可访问。

 - 也就是说 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。

2.2.下行转换（基类转换为派生类）

 - 下行转换是将基类指针或引用转换为派生类指针或引用。这种转换需要使用显式的类型转换操作符（如 static_cast 或 dynamic_cast），因为它可能是一个不安全的操作。

 - 特点：

  - 允许派生类的指针或引用访问基类指针所指向的派生类对象。

  - 不安全：如果基类指针或引用指向的不是派生类对象，则会产生错误。

  - dynamic_cast 可以在多态类型中进行安全检查，而 static_cast 不会做运行时检查。

也就是说基类对象不能赋值给派生类对象。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（Run-Time Type Information）的 dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。

class Person
{
protected:
	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.派⽣类对象可以赋值给基类的指针/引⽤ 上行转换
	Person* pp = &sobj;
	Person& rp = sobj;
	// 派⽣类对象可以赋值给基类的对象是通过调⽤基类的拷⻉构造完成的
	Person pobj = sobj;

	//2.基类对象不能赋值给派⽣类对象，这⾥会编译报错
	//sobj = pobj;
    //需要显示使用类型转换操作符
    sobj = dynamic_cast<Student*> (sobj);
	return 0;
}

3.继承中的作用域

3.1.隐藏规则

隐藏指的是派生类的成员与基类同名时，若不满足重写规则，会屏蔽基类同名成员的直接访问。具体规则如下：

（1）基类和派生类拥有独立的作用域，派生类不会继承基类的作用域，这是隐藏发生的前提。

（2）当派生类中存在与基类同名的成员时，派生类的同名成员会默认屏蔽基类的同名成员 —— 即通过派生类对象 / 指针直接访问该名称时，只会找到派生类的成员（基类同名成员被 “隐藏”）。若需访问被隐藏的基类成员，需在派生类中通过 基类::成员名 显式指定作用域。

（3）函数隐藏的特殊规则：对于成员函数，只要派生类与基类的函数名相同，若基类函数是虚函数，且派生类函数满足 “函数名、参数列表、返回值（或协变）完全相同”，则构成重写（多态），不视为隐藏；除此之外的同名函数（如参数不同、基类函数非虚函数等），均属于隐藏。

（4）实际开发中，不建议在继承体系中定义同名成员。同名成员会导致隐藏，不仅增加代码理解成本，还可能因误写引发逻辑错误，破坏代码可读性和安全性。

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

4.派生类的默认成员函数

在 C++ 中，派生类会自动继承基类的默认成员函数，但在继承关系下，这些成员函数的行为可能会有所变化。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。C++ 中的默认成员函数包括：

1. 默认构造函数
2. 拷贝构造函数
3. 移动构造函数
4. 拷贝赋值运算符
5. 移动赋值运算符
6. 析构函数

4.1.4个常见的默认成员函数

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. 派生类对象初始化先调用基类构造 再调派生类构造。

class Person {
public:
    int age;
    string name;

    // 带参数的构造函数(非默认构造)
    Person(int a, string n) 
        : age(a)
        , name(n) 
    {
        cout << "调用基类构造" << endl;
    }
};

class Student : public Person {
public:
    int studentID;

    // 派生类构造函数必须显式调用基类构造函数
    Student(int a, string n, int id) 
        : Person(a, n)
        , studentID(id) 
    {
        cout << "调用派生类构造" << endl;
    }
};

int main() {
    Student s(20, "Alice", 12345);
    // 输出：
    // 调用基类构造
    // 调用派生类构造
    return 0;
}

3. 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。

class Person {
public:
    int age;
    string name;

    Person(int a, string n) : age(a), name(n) {}

    // 拷贝构造函数
    Person(const Person& p) 
        : age(p.age)
        , name(p.name) 
    {
        cout << "基类拷贝构造" << endl;
    }
};

class Student : public Person {
public:
    int studentID;

    Student(int a, string n, int id) : Person(a, n), studentID(id) {}

    // 派生类的拷贝构造函数
    Student(const Student& s) 
        : Person(s)
        , studentID(s.studentID) 
    {
        cout << "派生类的拷贝构造" << endl;
    }
};

int main() {
    Student s1(20, "Alice", 12345);
    Student s2 = s1;  // 调用拷贝构造函数
    // 输出：
    // 基类拷贝构造
    // 派生类拷贝构造
    return 0;
}

4. 派生类的operator=必须要 调用基类的operator= 完成基类的复制。需要注意的是如果派生类的 operator=隐藏了基类的operator=，需要显示调用基类的operator=，指定基类作用域。

class Person {
public:
    int age;
    string name;

    Person(int a, string n) : age(a), name(n) {}

    // 赋值运算符
    Person& operator=(const Person& p) 
    {
        age = p.age;
        name = p.name;
        cout << "基类重载=" << endl;
        return *this;
    }
};

class Student : public Person {
public:
    int studentID;

    Student(int a, string n, int id) : Person(a, n), studentID(id) {}

    // 派生类的赋值运算符
    Student& operator=(const Student& s) 
    {
        if (this != &s) 
        {
            Person::operator=(s);  // 显式调用基类的 operator=
            studentID = s.studentID;
            cout << "派生类重载=" << endl;
        }
        return *this;
    }
};

int main() {
    Student s1(20, "Alice", 12345);
    Student s2(21, "Bob", 67890);
    s2 = s1;  // 调用赋值运算符
    // 输出：
    // 基类重载=
    // 派生类重载=
    return 0;
}

5. 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。

class Person {
public:
    int age;
    string name;

    Person(int a, string n) : age(a), name(n) {
        cout << "基类构造" << endl;
    }

    ~Person() {
        cout << "基类析构" << endl;
    }
};

class Student : public Person {
public:
    int studentID;

    Student(int a, string n, int id) : Person(a, n), studentID(id) {
        cout << "派生类构造" << endl;
    }

    ~Student() {
        cout << "派生类析构" << endl;
    }
};

int main() {
    Student s(20, "Alice", 12345);
    // 输出：
    //基类构造  
    //派生类构造  
    //派生类析构   
    //基类析构
    return 0;
}

6. 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，因为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。（这个会在下多态文章中详细讲解）

千面多态：C++中的扮演大师-优快云博客

总结：

- 派生类会自动继承基类的默认成员函数，但在生成这些函数时会涉及基类的成员函数调用。
- 默认成员函数的生成和调用顺序由编译器控制，基类成员会在派生类成员之前被处理（构造时优先构造基类，析构时优先析构派生类）。
- 通过显式调用基类的默认成员函数，可以控制基类部分的初始化或赋值过程。

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，派生类看不见就不能调用了，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。

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

- 基类的友元不会自动成为派生类的友元。 如果希望某个友元函数访问派生类的私有成员，则需要在派生类中重新声明该友元。

- 派生类可以有新的友元。 可以在派生类中定义新的友元函数或类，专门用于派生类的功能。

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

6.继承与静态函数

如果基类定义了 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，基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.多继承及菱形继承问题

7.1.继承模型

单继承：一个派生类只有一个直接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，多继承对象在内存中的模型是，先继承的基类在前面，后面继承的基类在后面，派生类成员在放到最后面。

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()
{
	Assistant a;
	// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确
	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 

虚继承用于解决继承中菱形继承问题。

虚继承通过virtual声明，用于确保基类在多重继承中只出现一次。

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;
}

8.继承和组合

（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，基类的内部细节对派生类可见 。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。

（5）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. 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。不过也不是那么绝对，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
};

// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class BMW : public Car 
{
public:
	void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};

class Benz : public Car 
{
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};

// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class vector
{};
// is-a
template<class T>
class stack : public vector<T>
{};
// has-a
template<class T>
class stack
{
public:
	vector<T> _v;
};
int main()
{
	return 0;
}