C++三大特性之——继承

ChuHsiang
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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重要手段，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。

1.2继承定义

1.2.1 定义格式

  下图中，Person是基类（或父类），Student是派生类（或子类）。

image-20250625160106400

访问限定符有：public访问、protected访问和private访问；

继承方式有：public继承、protected继承和private继承。

1.2.2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

小结：

  • 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还是在类外都不能去访问它。
  • 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。
  • 通过上面表格总结发现，基类的私有成员在派生类都是不可见。基类的其他成员在派生类的访问方式==Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public>protected>private。
  • 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。
  • 在实际运用中一般使用都是public继承，几乎很少使用protected/private继承，也不提倡使用protected/private继承，因为protected/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。也被称为切片或切割（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. 基类的指针或引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或引用。但是必须是基类的指针指向派生类对象时才是安全的。
class Person
{
protected:
    string _name;
    string _sex;
    int _age;
};

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

void Test()
{
    Student sobj;
    //派生类类对象可以赋值给基类的对象/指针/引用
    Person pobj = sobj;
    Person* pp = &sobj;
    Person& rp = sobj;
    //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;//这种情况是可以的
    ps1->_No = 10;

    pp = &pobj;
    Student* ps2 = (Student*)pp;//存在越界访问风险
    ps2->_No = 20;
}

3.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。
  • 派生类和基类中有同名成员，子类成员将屏蔽父类同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏，也叫重定义。（在派生类成员函数中，可以使用 基类 ：：基类成员 显示访问）。
  • 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。
  • 注意在继承体系里，最好不要定义同名的成员。

具体下列代码中，Student的_num和 Person的 _num构成隐藏关系。

class Person
{
protected:
	std::string _name = "kerry";
	int _num = 111;
};

class Student :public Person
{
public:
	void Print()
	{
		std::cout << "姓名：" << _name << std::endl;
		std::cout << "身份证号：" << Person::_num << std::endl;
		std::cout << "学号" << _num << std::endl;
	}

protected:
	int _num = 999;
};

int main()
{
    Student s1;
	s1.Print();

	return 0;
}

4.派生类的默认成员函数

  6个默认成员函数，“默认”的意思就是不用程序员手动编写，编译器会自动生成，下面是派生类自动生成的成员函数：

  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析构。

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**。

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。

静态成员的声明定义：

  • 先在类中声明静态成员变量；
  • 然后在外部对静态成员变量定义并初始化，该步骤告诉编译器为静态变量分配内存，否则不分配内存，编译器会报错。

静态成员由该类的所有对象共同维护，从而实现同一类的不同对象之间的数据共享。静态成员不属于任何一个对象。访问静态成员变量可以通过类名或对象名进行访问。静态成员函数访问非静态成员时必须通过对象名。

继承的种类：

(1)单继承：一个派生类只有一个直接基类时称这个继承方式为单继承。

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(2)多继承：一个派生类有两个或两个以上直接基类时称这个继承关系为多继承。

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菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。

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菱形继承的问题：从下图的对象成员模型构造图，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性问题，Assistant的对象中Person成员会有两份。

image-20250625150807275

class Person
{
public:
    string _name;
};

class Student:public Person
{
protected:
    int _num;
};

class Teacher:public Person
{
protected:
    int _id;
};

class Assistant:public Student,public Teacher
{
protected:
    string _majorCourse;
};

void Test()
{
    Assistean a;
    a._name = "kerry";//这样会有二义性问题无法明确访问哪一个_name;
    
    //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
    a.Student::_name = "peter";
    a.Teacher::_name = "reagan";
}

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。上述代码中，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。注意：虚拟继承不要再其他地方使用。

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;//职工工号
};

class Assistant:public Student,public Teacher
{
protected:
    string _majorCourse;//主修课程
};

void Test()
{
    Assistant a;
    a._name = "kerry";
}

为了研究虚拟继承原理，通过Visual Studio2019调试内存窗口观察对象的模型：

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;
    
    return 0;
}

下图中可以看到在菱形继承的内存模型中，可以看到数据冗余。

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下图则是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：这里可以分析出，D对象中将A对象放到了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C；B和C通过虚基表指针分别指向两张虚基表；虚基表中存偏移量，通过这个偏移量就可以找到下面的A。

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总结：

1.有了继承就会有多继承出现，多继承会引起菱形继承，有了菱形继承也会引发菱形虚拟继承，底层实现复杂，一般不建议设计出多继承。

2.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。

3.优先使用对象组合，而不是类继承。

4.继承允许程序员根据基类的实现来定义派生类的实现。这种通过派生类的复用通常被称为白箱复用(white-box reuse)。术语“白箱”是相对可实视性而言：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。

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。对象只能以“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程序员保持每个类被封装。

6.尽量多取用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。

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