【C++】继承

  本篇文章会对c++中的继承进行讲解。其中讲解了继承的概念及定义、基类和派生类对象赋值转换、继承中的作用域、派生类的默认成员函数 和 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承等内容。希望本篇文章会对你有所帮助。

 

文章目录

一、继承的概念及定义

1、1 继承的概念

1、2 继承的定义

二、基类和派生类对象赋值转换

三、继承中的作用域

四、派生类的默认成员函数

五、继承与友元

六、继承与静态成员

七、菱形继承和菱形虚拟继承

7、1 单继承、多继承和菱形继承

7、2 菱形继承存在的问题

7、3 菱形虚拟继承

7、3、1 菱形虚拟继承的认识

7、3、2 菱形虚拟继承的实现原理

八、继承的总结和反思

九、总结

🙋‍♂️ 作者：@Ggggggtm 🙋‍♂️

👀 专栏：C++  👀

💥 标题：list讲解💥

 ❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️  

一、继承的概念及定义

1、1 继承的概念

  C++是一种支持面向对象编程（Object-Oriented Programming）的编程语言，面向对象的三大特性：封装、继承、多态。继承（inheritance）是C++中重要的特性之一。

  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。

  C++中的继承可以通过派生类（derived class）从基类（base class）中派生出来。基类是已经定义好的类，而派生类则是基于基类的定义创建出来的新类。（派生类又名子类，基类又名父类）。

  举个例子：假如我们要对学生和老师信息进行管理，我们分别需要创建class Student和 class Teacher 类。但是我们发现这两个类有很多共同的属性（_name,_age）。能不能把共同的属性和方法提出到一个类中呢？答案是可以的！

   我们把具有共同的属性和方法的类称为基类，class Student 和 class Teacher 类这两个类再次继承基类。这两个类中也有基类的属性和方法。具体也可结合如下代码理解：

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
};

1、2 继承的定义

  在上述代码中，我们初始了继承。相信大家都有很多疑惑。继承定义的格式是什么？都有代表的什么意义呢？我们接着往下看，都会做出解释。

  上述代码中，Person是父类，也称作基类。Student和Teacher是子类，也称作派生类。

  其中，继承方式不仅仅只有public，还有protected和private继承。具体如下图：

  不同的继承方式会决定派生类对基类成员的访问权限。具体我们也可看下表：

  我们只看上表，似乎不容易记住。但是是有规律的，通过上述的继承总结出以下几点：

  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。
  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。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. 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

二、基类和派生类对象赋值转换

  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。具体如下：

class Person
{
protected:string _name; // 姓名string _sex;  // 性别int	_age;	 // 年龄
};class Student : public Person
{
public:int _No; // 学号
};int main()
{Student sobj;//注意，以下并不是隐式类型转换，就是语法支持的Person pobj = sobj;Person* pp = &sobj;Person& rp = sobj;return 0;
}

  我们也可结合调试看其对象，具体如下图：

  指针和引用也是如此。指针指向的内容也会对派生类进行切断，使其指向的成员只包含父类的成员。但是，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。

三、继承中的作用域

  在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。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） 

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
};
void Test()
{Student s1;s1.Print();
};

  上述代码就是在调用子类的Print（）函数，此时的 _num 是子类中的成员变量。打印父类中的 _num 时，使用的是 基类::基类成员 显示访问：Person::_num。

  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。 我们可结合如下代码理解：

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;}
};
void Test()
{B b;b.fun(10);
};

  运行结果如下：

  我们看到，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，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。

  通过第一个例子中，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。所以在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

四、派生类的默认成员函数

  我们知道一个类会有六个默认成员函数，如下图：

  所谓默认，“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？

   我们先看如下代码：

class Person
{
public://Person(const char* name = "peter")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:protected:int _num;
};int main()
{Student s1;return 0;
}

  派生类Student中，我们自己并没有写任何构造函数。现在，我们定义了一个 Student 对象s1。此时s1对象会自动调用默认的生成的构造函数和析构函数。我们看如下运行结果：

   我们看到，这里调用了基类的构造函数和析构函数！那大概就知道派生类默认生成的构造函数会做哪些事情了：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。

  那么派生类的默认生成的拷贝构造都会做哪些事情呢？我们看如下代码：

class Person
{
public://Person(const char* name = "peter")Person(const char* name): _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):Person(name) //基类没有默认构造，必须显式调用构造函数, _num(num){cout << "Student()" << endl;}
protected:int _num;
};int main()
{Student s1("zhagnsan",18);Student s2(s1);return 0;
}

  上述代码中，我们先定义了一个 s1 对象，然后用 s2 对象去调用默认拷贝构造函数，用s1 对象来初始化。我们看如下运行结果：

   我们通过上述的运行结果可发现，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。

  通过上述的两个例子测试，我们不难发现，派生类默认生成的六个构造函数是有一定规律的，很初学类和对象生成的六个默认构造很相似。这里直接给出大家结论：

  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。
  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(这个我们后面会讲 解)。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。
  8. 在派生类所生成的默认构造，会依然保持原有的在类和对象的功能。

  这里再强调一下派生类中的析构函数。先看如下代码：

 ~Student(){~Person();cout<<"~Student()" <<endl;}

  我们上面的派生类 Student 的析构函数会调用基类的析构函数，但是上面的写法并不正确。因为基类的析构函数和派生类的析构函数构成了隐藏。怎么名字不同也能构成隐藏?其实真正原因是：由于后面多态的需要，析构函数名字会统一处理成destructor()。

  当然，我们想要显式调用时，我们可以使用：Person::~Person()。其实我们也不需要自己去调用基类的析构，每个子类析构函数后面，会自动调用父类析构函数，这样才能保证先析构子类，再析构父类。

五、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。如下代码：

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;
}
void main()
{Person p;Student s;Display(p, s);
}

  上述代码是不正确的。有缘并不能继承，所以 s 对象并不能访问其保护成员。应在 Student 类中声明友元函数。正确代码如下：

class Student;
class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name="zhangsan"; // 姓名
};class Student : public Person
{friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:int _stuNum=111; // 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;
}

六、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。  我们看如下代码：

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
};int main()
{Person p;Student s;p._name = "张三";cout << s._name << endl;cout << Student::_count << endl;++Person::_count;cout << Student::_count << endl;cout << &Person::_count << endl;cout << &Student::_count << endl;return 0;
}

  我们在基类中定义了一个 static 变量，该变量可用来统计人数。因为不管是定义派生类对象，还是基类对象，都会调用基类的构造函数。但实例化出来的 _count 只有一份。

七、菱形继承和菱形虚拟继承

7、1 单继承、多继承和菱形继承

  单继承：一个派生类只能继承自一个基类，也就是一个子类只有一个直接父类时称这个继承关系为单继承。

  单继承的主要特点和优点包括：

  • 简单清晰：派生类与基类之间的关系清晰明确，代码易于理解和维护。
  • 避免二义性：没有多个基类之间的成员重名问题，因此避免了成员函数和变量的二义性。
  • 对象模型简单：派生类对象的内存布局也相对简单，只需要按照继承层次从上到下进行构造和析构。

  多继承：一个派生类可以同时继承自多个基类，也就是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。

  多继承的使用需谨慎，因为它可能引发一些问题：

  • 成员二义性：当派生类直接或间接地从多个基类继承相同的成员函数或变量时，容易引发二义性问题。需要通过作用域解析运算符（::）来指明具体的继承类。
  • 破坏封装性：多继承可能导致类的设计变得复杂，增加模块之间的耦合性并破坏封装性。

  菱形继承：菱形继承是多继承中的一种特殊情况，指派生类同时继承自两个或更多个基类，并且这些基类之间存在共同的基类。 

7、2 菱形继承存在的问题

  我们首先看如下一段代码：

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 at;// 菱形继承的二义性问题// 数据冗余//at._name = "张三";at.Student::_name = "张三";at.Teacher::_name = "李四";return 0;
}

   我们看到，上述代码就是一个菱形继承。实际上，Assistant对象的结构就是如下图：

   我们通过调试也很容易观察出其结构，如下图：

  我们不难从上述结构中发现，Assistant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。同时还有数据冗余的问题。

  当然，我们访问 _name 成员变量时，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。

  针对上述问题，我们这里引出菱形虚拟继承。

7、3 菱形虚拟继承

7、3、1 菱形虚拟继承的认识

  在菱形虚拟继承中，派生类通过 virtual 关键字声明对基类的继承关系。我们先看一份代码：

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 at;// 菱形虚拟继承解决了二义性和数据冗余at._name = "小张";at.Student::_name = "张三";at.Teacher::_name = "李四";return 0;
}

  上述就是菱形虚拟继承。在上述代码中，类Student和类Teacher使用virtual关键字进行了虚继承，这样类Assistant继承自Student和类Teacher时，只会包含一份类Person的成员变量。我们再通过调试观察一下，如下：

  虚拟继承解决了菱形继承中存在的二义性问题，并减少了资源的重复使用。但需要注意，虚拟继承会引入虚基表（vtable）以及虚基表指针（vpointer）等额外的开销。我们在下面讲解菱形虚拟继承的原理中会讲到虚基表和虚基表指针。

7、3、2 菱形虚拟继承的实现原理

  注：以下测试环境位vs2019。

  我们想要搞懂菱形虚拟继承的实现原理，少不了去了解他在内存中的存储结构是怎么样的。为了清晰的观察，我们采用下面的代码进行调试：

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._a = 0;d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;return 0;
}

  我们通过调试，看数据和内存如下图：

  通过内存我们发现，类 B 和类 C 中不在存储A对象，而是把A对象放到了D对象组的最底下。类 B 和类 C中多出来的值是什么呢？好像是一段地址，我们不妨看看。如下图：

  我们把上述的十六进制转换为十进制后，发现一个是20，一个是14。其实我们对比不难发现，这个就是偏移量。该指针就是虚基表指针，指向的就是虚基表。虚基表中存储的就有偏移量。我们通过虚基表指针，再加上虚基表中所存储的偏移量，就可以轻松的找到A对象。

  通过剖析完菱形虚拟继承在内存中的存储结构后，我们对菱形虚拟继承会有一个更加清楚的认知。会对第一个菱形虚拟继承例子有一个更加清楚的结构认识，如下图：

八、继承的总结和反思

对继承的总结如下：
  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，很多后来的语言都没有多继承，如Java。

  继承和组合 ：

  • 组合是另一种代码复用机制，它描述了对象之间的整体与部分的关系。在组合关系中，一个类（称为容器类）包含另一个类的对象（称为成员对象），并且容器类可以通过成员对象来调用其方法和访问其属性。
  • 继承可以实现类之间的"is-a"关系，即派生类是基类的一种特殊类型。通过继承，可以实现代码重用、多态性和层次结构等特性。
  • 通过组合，可以实现类之间的"has-a"关系，即容器类具有成员对象作为其一部分。组合提供了更大的灵活性，因为可以在运行时动态地更改成员对象。
  • 优先使用对象组合，而不是类继承。
  • 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。

  我们也可结合如下代码一起理解上述概念：

// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
class Car {
protected:string _colour = "白色"; // 颜色string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
};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; }
};// Tire和Car构成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"; // 车牌号Tire _t; // 轮胎
};

九、总结

  继承是C++一个重要特性之一。我们因该熟知继承的概念，并且熟练的掌握继承的用法。相对其它语言，C++的继承想对复杂，但是我们也应该多练，达到孰能生巧的地步。

  本篇文章的讲解就到这里，感谢阅读ovo~ 

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