C++——继承

目录

继承的概念及定义

继承的概念

继承的定义

继承方式和继承访问限定符

继承基类成员访问方式的变化 

默认继承方式 

基类与派生类赋值对象转换

继承中的作用域

派生类的默认成员函数

继承与静态成员

继承的方式 

菱形虚拟继承

---

继承的概念及定义

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，称为派生类。
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，而继承便是类设计层次的复用。

例如，以下代码中Student类和Teacher类就继承了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。下面我们使用监视窗口查看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。
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;
}

继承的定义

继承的定义格式如下： 

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

说明： 在继承当中，父类也称为基类，子类是由基类派生而来的，所以子类又称为派生类。

继承方式和继承访问限定符

在C++中，继承方式（Inheritance Mode）和继承访问限定符（Inheritance Access Specifier）是用于控制派生类如何继承基类成员的关键机制。这些机制决定了派生类对基类成员的访问权限以及这些成员在派生类中的访问级别。

公有继承（public inheritance）：

• 基类的公有成员在派生类中仍然是公有的。
• 基类的保护成员在派生类中仍然是保护的。
• 基类的私有成员在派生类中不可访问（但仍然存在于派生类对象中，可以通过基类的公有或保护成员函数访问）。

  class Base {
  public:
      int publicMember;
  protected:
      int protectedMember;
  private:
      int privateMember;
  };
  
  class Derived : public Base {
  public:
      void accessMembers() {
          publicMember = 1;    // 合法
          protectedMember = 2; // 合法
          // privateMember = 3; // 不合法
      }
  };
  

  保护继承（protected inheritance）：

• 基类的公有成员在派生类中变成保护的。
• 基类的保护成员在派生类中仍然是保护的。
• 基类的私有成员在派生类中不可访问。

  class Derived : protected Base {
  public:
      void accessMembers() {
          publicMember = 1;    // 合法
          protectedMember = 2; // 合法
          // privateMember = 3; // 不合法
      }
  };
  

  私有继承（private inheritance）：

• 基类的公有成员在派生类中变成私有的。
• 基类的保护成员在派生类中变成私有的。
• 基类的私有成员在派生类中不可访问。

class Derived : private Base {
public:
    void accessMembers() {
        publicMember = 1;    // 合法
        protectedMember = 2; // 合法
        // privateMember = 3; // 不合法
    }
};

继承访问限定符

在C++中，继承访问限定符（public、protected、private）用来指定派生类对基类成员的访问权限。继承访问限定符的作用如下：

1. public：表示公有继承。
2. protected：表示保护继承。
3. private：表示私有继承。

这些访问限定符决定了基类的公有和保护成员在派生类中的访问级别。总结如下：

• 公有继承：

  • 基类的公有成员 -> 派生类的公有成员
  • 基类的保护成员 -> 派生类的保护成员

• 保护继承：

  • 基类的公有成员 -> 派生类的保护成员
  • 基类的保护成员 -> 派生类的保护成员

• 私有继承：

  • 基类的公有成员 -> 派生类的私有成员
  • 基类的保护成员 -> 派生类的私有成员

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    int publicMember;
protected:
    int protectedMember;
private:
    int privateMember;
};

class PublicDerived : public Base {
public:
    void display() {
        publicMember = 1;    // 合法
        protectedMember = 2; // 合法
        // privateMember = 3; // 不合法
    }
};

class ProtectedDerived : protected Base {
public:
    void display() {
        publicMember = 1;    // 合法
        protectedMember = 2; // 合法
        // privateMember = 3; // 不合法
    }
};

class PrivateDerived : private Base {
public:
    void display() {
        publicMember = 1;    // 合法
        protectedMember = 2; // 合法
        // privateMember = 3; // 不合法
    }
};

int main() {
    PublicDerived publicDerived;
    publicDerived.publicMember = 10; // 合法，public继承后publicMember仍为public

    ProtectedDerived protectedDerived;
    // protectedDerived.publicMember = 20; // 不合法，protected继承后publicMember变为protected

    PrivateDerived privateDerived;
    // privateDerived.publicMember = 30; // 不合法，private继承后publicMember变为private

    return 0;
}

继承基类成员访问方式的变化 

默认继承方式 

在使用继承的时候也可以不指定继承方式，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。

例如，在关键字为class的派生类当中，所继承的基类成员_name的访问方式变为private。

//基类
class Person
{
public:
	string _name = "张三"; //姓名
};
//派生类
class Student : Person //默认为private继承
{
protected:
	int _stuid;   //学号
};

而在关键字为struct的派生类当中，所继承的基类成员_name的访问方式仍为public。

//基类
class Person
{
public:
	string _name = "张三"; //姓名
};
//派生类
struct Student : Person //默认为public继承
{
protected:
	int _stuid;   //学号
};

注意： 虽然继承时可以不指定继承方式而采用默认的继承方式，但还是最好显示的写出继承方式。 

基类与派生类赋值对象转换

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 。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。

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。

首先定义一个基类 Person 和一个派生类 Student：

class Person {
protected:
    std::string _name;  // 姓名
    std::string _sex;   // 性别
    int _age;           // 年龄
};

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

类型转换示例

在 Test 函数中进行了几种类型转换操作：

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;           // 对象赋值
    Person* pp = &sobj;           // 指针赋值
    Person& rp = sobj;            // 引用赋值

    // 2. 基类对象不能赋值给派生类对象
    sobj = pobj;  // 不合法，编译错误

    // 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;
}

详细解释

1. 子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用：

   这是因为 Student 是 Person 的派生类，Student 对象包含 Person 的所有成员，因此可以进行向上转换（Upcasting）。

Person pobj = sobj;           // 这是对象赋值，发生了对象切片（object slicing），只保留了基类部分。
Person* pp = &sobj;           // 指针赋值，这是合法的，指针类型转换。
Person& rp = sobj;            // 引用赋值，这是合法的，引用类型转换。

      2. 基类对象不能赋值给派生类对象： 

sobj = pobj;  // 不合法，编译错误，因为 `Person` 对象没有 `Student` 对象的 `_No` 成员。

      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，因为 `pp` 实际指向的是一个 `Student` 对象。
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，因为 `pobj` 实际上是一个 `Person` 对象，不包含 `Student` 的成员。
ps2->_No = 10;  // 这里会导致未定义行为（Undefined Behavior），可能会崩溃。

关键点

• 向上转换（Upcasting）：派生类对象可以隐式转换为基类对象、基类指针或基类引用。这是安全的，因为派生类对象包含基类的所有成员。
• 向下转换（Downcasting）：基类指针或引用转换为派生类指针或引用需要显式转换（通常使用 dynamic_cast 或 C 风格转换）。这种转换可能不安全，尤其是基类指针实际指向的对象不是该派生类时，会导致未定义行为。

建议

在进行向下转换时，应使用 dynamic_cast 并进行类型检查，以确保安全性：

Student* ps2 = dynamic_cast<Student*>(pp);
if (ps2) {
    ps2->_No = 10;
} else {
    // 转换失败，处理错误
}

dynamic_cast 可以在运行时检查转换是否成功，如果不成功会返回 nullptr。这种方式可以避免潜在的越界访问问题。

继承中的作用域

在继承体系中的基类和派生类都有独立的作用域。若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。

例如，对于以下代码，访问成员_num时将访问到子类当中的_num。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//父类
class Person
{
protected:
	int _num = 111;
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	void fun()
	{
		cout << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999;
};
int main()
{
	Student s;
	s.fun(); //999
	return 0;
}

若此时我们就是要访问父类当中的_num成员，我们可以使用作用域限定符进行指定访问。

void fun()
{
	cout << Person::_num << endl; //指定访问父类当中的_num成员
}

例如，对于以下代码，调用成员函数fun时将直接调用子类当中的fun，若想调用父类当中的fun，则需使用作用域限定符指定类域。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//父类
class Person
{
public:
	void fun(int x)
	{
		cout << x << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	void fun(double x)
	{
		cout << x << endl;
	}
};
int main()
{
	Student s;
	s.fun(3.14);       //直接调用子类当中的成员函数fun
	s.Person::fun(20); //指定调用父类当中的成员函数fun
	return 0;
}

派生类的默认成员函数

默认成员函数，即我们不写编译器会自动生成的函数，类当中的默认成员函数有以下六个： 

下面我们看看派生类当中的默认成员函数，与普通类的默认成员函数的不同之处。

例如，我们以下面这个Person类为基类。

//基类
class Person
{
public:
	//构造函数
	Person(const string& name = "peter")
		:_name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}
	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}
	//赋值运算符重载函数
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
		{
			_name = p._name;
		}
		return *this;
	}
	//析构函数
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
private:
	string _name; //姓名
};

我们用该基类派生出Student类，Student类当中的默认成员函数的基本逻辑如下：

//派生类
class Student : public Person
{
public:
	//构造函数
	Student(const string& name, int id)
		:Person(name) //调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员
		, _id(id) //初始化派生类的成员
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}
	//拷贝构造函数
	Student(const Student& s)
		:Person(s) //调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝构造
		, _id(s._id) //拷贝构造派生类的成员
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	//赋值运算符重载函数
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s); //调用基类的operator=完成基类成员的赋值
			_id = s._id; //完成派生类成员的赋值
		}
		return *this;
	}
	//析构函数
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
		//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
	}
private:
	int _id; //学号
};

派生类与普通类的默认成员函数的不同之处概括为以下几点：

1.派生类的构造函数被调用时，会自动调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员，如果基类当中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当中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函数完成基类成员的拷贝构造。
3.派生类的赋值运算符重载函数必须调用基类的赋值运算符重载函数完成基类成员的赋值。
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。
5.派生类对象初始化时，会先调用基类的构造函数再调用派生类的构造函数。
6.派生类对象在析构时，会先调用派生类的析构函数再调用基类的析构函数。
在编写派生类的默认成员函数时，需要注意以下几点：

1.派生类和基类的赋值运算符重载函数因为函数名相同构成隐藏，因此在派生类当中调用基类的赋值运算符重载函数时，需要使用作用域限定符进行指定调用。
2.由于多态的某些原因，任何类的析构函数名都会被统一处理为destructor();。因此，派生类和基类的析构函数也会因为函数名相同构成隐藏，若是我们需要在某处调用基类的析构函数，那么就要使用作用域限定符进行指定调用。
3.在派生类的拷贝构造函数和operator=当中调用基类的拷贝构造函数和operator=的传参方式是一个切片行为，都是将派生类对象直接赋值给基类的引用。

说明一下：
基类的构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数我们都可以在派生类当中自行进行调用，而基类的析构函数是当派生类的析构函数被调用后由编译器自动调用的，我们若是自行调用基类的构造函数就会导致基类被析构多次的问题。
我们知道，创建派生类对象时是先创建的基类成员再创建的派生类成员，编译器为了保证析构时先析构派生类成员再析构基类成员的顺序析构，所以编译器会在派生类的析构函数被调用后自动调用基类的析构函数。

继承与静态成员

若基类当中定义了一个static静态成员变量，则在整个继承体系里面只有一个该静态成员。无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例。

例如，在基类Person当中定义了静态成员变量_count，尽管Person又继承了派生类Student和Graduate，但在整个继承体系里面只有一个该静态成员。
我们若是在基类Person的构造函数和拷贝构造函数当中设置_count进行自增，那么我们就可以随时通过_count来获取该时刻已经实例化的Person、Student以及Graduate对象的总个数。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//基类
class Person
{
public:
	Person() 
	{ 
		_count++; 
	}
	Person(const Person& p) 
	{
		_count++;
	}
protected:
	string _name; //姓名
public:
	static int _count; //统计人的个数。
};
int Person::_count = 0; //静态成员变量在类外进行初始化
//派生类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; //学号
};
//派生类
class Graduate : public Person
{
protected:
	string _seminarCourse; //研究科目
};
int main()
{
	Student s1;
	Student s2(s1);
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << Person::_count << endl; //4
	cout << Student::_count << endl; //4
	return 0;
}

此时我们也可以通过打印Person类和Student类当中静态成员_count的地址来证明它们就是同一个变量。

cout << &Person::_count << endl; //00F1F320
cout << &Student::_count << endl; //00F1F320

继承的方式 

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：一个子类有两个或两个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。 

 

从菱形继承的模型构造就可以看出，菱形继承的继承方式存在数据冗余和二义性的问题。

例如，对于以上菱形继承的模型，当我们实例化出一个Assistant对象后，访问成员时就会出现二义性问题。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
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;
	a._name = "peter"; //二义性：无法明确知道要访问哪一个_name
	return 0;
}

Assistant对象是多继承的Student和Teacher，而Student和Teacher当中都继承了Person，因此Student和Teacher当中都有_name成员，若是直接访问Assistant对象的_name成员会出现访问不明确的报错。

对于此，我们可以显示指定访问Assistant哪个父类的_name成员。

//显示指定访问哪个父类的成员
a.Student::_name = "张同学";
a.Teacher::_name = "张老师";

虽然该方法可以解决二义性的问题，但仍然不能解决数据冗余的问题。因为在Assistant的对象在Person成员始终会存在两份。

菱形虚拟继承

为了解决菱形继承的二义性和数据冗余问题，出现了虚拟继承。如前面说到的菱形继承关系，在Student和Teacher继承Person是使用虚拟继承，即可解决问题。

虚拟继承代码如下：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Person
{
public:
	string _name; //姓名
};
class Student : virtual public Person //虚拟继承
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person //虚拟继承
{
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"; //无二义性
	return 0;
}

此时就可以直接访问Assistant对象的_name成员了，并且之后就算我们指定访问Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员，访问到的都是同一个结果，解决了二义性的问题。

cout << a.Student::_name << endl; //peter
cout << a.Teacher::_name << endl; //peter

而我们打印Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员的地址时，显示的也是同一个地址，解决了数据冗余的问题。

cout << &a.Student::_name << endl; //0136F74C
cout << &a.Teacher::_name << endl; //0136F74C