c++之继承[把控细节]

前言

我们知道C++语言是一门面向对象编程的语言，而面向对象编程有三大特性，它们分别是：封装，继承，多态。本文将介绍面向对象编程的另一大特性：继承。学习继承之前，由题目可知细节是非常多的。继承与多态的学习方式其实跟之前所学习的类和对象是有一拼的，拼的是细节。

前言

1.继承的概念及定义

2.基类和派生类对象赋值转换

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

Ⅰ.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。

☼那么先来见见"猪跑"，继承到底长什么"样子"，下面通过代码观察

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;//基类
class Person
{
public:void print(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}
protected:string _name = "peter";int _age = 18;
};//派生类
class Student : public Person
{
protected:int _stuid;
};//派生类
class Teacher : public Person
{
protected:int _jobid;
};int main()
{	Student s;Teacher t;s.print();t.print();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。这里体现出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。

☼经过运行后，我们发现是不管是Student还是Teacher，他们的名字和年龄都是复用的Person

☼相信大家已经明白，Student和Teacher继承的是Person。就好像Person是父亲，Student和Teacher是孩子。继承这个过程就好像是，父亲不光挣的钱给孩子，而且还把挣钱的方法也孩子。

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继承关系和访问限定符

♡继承的方式有三种，访问限定符有三个。在平时中实际上用得最多的是public继承，一般继承就是需要用到基类的成员。在以前访问限定符protected和private作用是几乎一样的，但是在继承下就有了比较明显的区别了。

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protected 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

♡首先通过监视窗口来观察三个继承，通过监视窗口发现private方式继承，不管是语法上具有限制而且在类里面都是不能访问的。protected则只是语法上被限制了，但是基类的成员是被继承下来了的，public相信大家都明白了。

♡对于访问限定符来说，protected和private都是不能对外部访问的，而private是完全私有的，只有自己可以访问，protected是受保护的，只有派生类可以访问，外部不能访问。

♡对于private只有自己可以调用，protected:有关系的类(派生类)也可以使用，代码理解如下

 //基类
class Person
{
public:void print1(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age1 << endl;}
protected:string _name = "peter";int _age1 = 18;private:int _age2 = 18;
};//public继承
class Staff : public Person
{
protected:int _staid=Person::_age1;  //能访问int _staid = Person::_age2;//不能访问
};

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。

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。

Ⅱ.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。

●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(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个我们后面再讲解，这里先了解一下）

●基类和派生类对象赋值转换过程中不存在类型转换

class Person
{
public:void print1(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}
protected:string _name = "peter";int _age = 18;
};class Student : public Person
{
protected:int _stuid;
};int main()
{Person p;Student s;//中间不存在类型转化p = s;Person& rp = s;//不产生临时变量int i = 1;double d = 1.1;//会产生临时变量--通过eaxi = d;int& ri = d;///错误，临时变量具有常性const int& ri = d;return 0;
}

●引用(底层和指针一样)和指针的赋值转换

Ⅲ.继承中的作用域

首先我们将演示代码放在前面，便于大家测试的需要。

#include<iostream>
#include <string>
using namespace std;// 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 = "qhx"; // 姓名int _num = 111;
};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 = 2023; // 学号};
void Test()
{Student s1;s1.Print();
};

۞在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。在派生类中默认是调用自己类中的_num,如果需要调用基类的_num,可以采取指定作用域的方式（Person::），从这里不难看出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）。通过打印结果发现，同名成员基类_num被隐藏。

۞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。

为了理解这句话，看了这题就很容易明白了

选择题：

下面两个函数构成什么关系？

选项：

A.重载 B.重写 C.隐藏/重定义 D.编译报错

代码如下：

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);
};

● 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。

调用fun函数不给参数，这个时候会报错，但也体现了隐藏关系，正因为被隐藏，才导致无法调用基类的fun函数。如果想调用基类fun函数，指定作用域即可。

void Test1(){B b;b.fun();    //报错b.A::fun();
};

注意：在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

Ⅳ.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，下图则是6个默认成员函数的回顾，虽然是6个，但很多时候侧重理解是前面4个默认成员函数。是否还记得普通类成员中默认成员函数的区别。析构和构造函数对内置类型不处理，自定义类型会调用对应的构造函数和析构，拷贝构造和赋值重载针对内置类型进行浅拷贝 / 值拷贝，自定义类型调用对应的拷贝或者赋值--深拷贝。

那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？通过代码测试进行理解！

//统一基类代码测试
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
};

☆当基类中有默认构造，派生类则可以不用在初始化列表进行显示调用。同样基类中有构造，拷贝，赋值重载，析构，派生类会自动调用基类的默认成员函数。

派生类搭建构造函数，拷贝构造，赋值重载，析构函数的细节把控

   //构造函数--父类成员调用父类的构造完成初始化
Student(const char* name, int num)
~~:_name(name)~~//错误-不需要我们帮忙

        : Person(name)//正确
       , _num(num)
   {}

   //拷贝构造--指针的引用，会直接将子类进行切割或者切片，将s传入父类，父类直接引用子类的对象

Student(const Student& s)
       : Person(s)
       , _num(s._num)
   {}

   //赋值重载

Student& operator = (const Student& s)

   {
       cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
       if (this != &s)
       {
~~operator =(s);//错误会发生栈溢出，自己对自己进行赋值重载~~

Person::operator =(s);
           _num = s._num;
       }
       return *this;
   }

   //析构函数--与基类~Person()会发生隐藏关系，virtual的情况下会构成重写后续多态会涉及

~Student()
   {
       ~~Person::~Person();//编译器会自动生成基类析构，若再次调用会发生多次析构，导致程序崩溃~~
   }

:Person(s)--->Person(const Person& p): _name(p._name) 拷贝构造对应基类指针的赋值转换

❤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。

❤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。

❤派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。

❤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 Student : public Person
{
public://构造函数Student(const char* name, int num)//_name(name)//错误: Person(name), _num(num){cout << "Student()" << endl;}//拷贝构造Student(const Student& s): Person(s), _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}//赋值重载Student& operator = (const Student& s){cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;if (this != &s){Person::operator =(s);_num = s._num;}return *this;}//析构函数//这里析构函数不需要再次调用基类析构，编译器自动处理~Student(){cout << "~Student()" << endl;}protected:int _num; //学号};
void Test()
{Student s1("jack", 18); Student s2(s1);Student s3("rose", 17);s1 = s3;}

☆派生类写了析构函数之后，它是先调用派生类再调用基类，而构造，拷贝，赋值重载截然相反。先调用基类再调用派生类。调用 6次默认成员函数所以析构 6次。

❤派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。

❤派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。

❤ 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。

☆基类对象调用父类对应函数完成初始化/清理/拷贝，派生类内置内型不处理，自定义类型调用对应的拷贝或者赋值。

为什么派生类析构函数是先析构派生类，后析构基类呢？原因如图所示！

Ⅴ.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

class Student;
class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);protected:string _name; // 姓名
};class Student : public Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);//解决办法
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);
}

注意：一般不建议用友元，破坏封装。

Ⅵ. 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。static静态成员是在静态区，所以它是共享的每次调用都会增加_count的次数。

class Person
{
public:Person() { ++_count; }void Print(){cout << this << endl;//函数中对类中的普通成员变量进行访问，报错//cout << _name << endl; //静态，不报错//cout << _count << endl;}//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
};void TestPerson()
{Student s1;Student s2;Student s3;Person p1;//父类p1._name = "张三";s1._name = "李四";cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;//Student::_count = 0;//cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}int main()
{TestPerson();return 0;
}

注意：在类里面声明static，不会开辟空间，而静态变量在声明时就需要开辟静态存储空间，所以如果不在类外部开辟空间，则会导致编译错误。

●从监视窗口能够看见，子类和父类是通过切片的方式，但是子类和父类实例化互不影响！

●证明static成员是共享的，子类和父类访问的static成员都是同一块地址，在不同的作用域下值也是一样的

void TestPerson1()
{Student s;//子类Person p;//父类p._name = "张三";s._name = "李四";s._count++;p._count++;cout << p._count << endl;cout << s._count << endl;cout << &p._count << endl;cout << &s._count << endl;cout << Person::_count << endl;cout << Student::_count << endl;}

●针对指针访问【重点扩展】

♦_name是类中成员变量，存放在栈区，编译器会对ptr进行接引用，对空指针接引程序崩溃ptr->_name这个操作，本质就是*(this==nullptr)

♦这里并不是对ptr进行接引用，Print()是函数-函数存放在代码段里，对类中的函数访问是不需要接引用的，可以直接去代码段直接找到的ptr->Print()这个操作，本质就是this指针的传递，传递一个空指针不报错。

♦需要注意的是被调用的函数中不能涉及对成员变量的操作，否则会出现this指针为空而引起空指针解引用的情况。

♦同样的_count是存放在静态区，静态区中根本就没有this指针。

void TestPerson2()
{Person* ptr = nullptr;//cout << ptr->_name << endl;  ptr->Print();  cout << ptr->_count << endl; 
}

♦对于编译器而言这里也是通过作用域的方式在代码段或者静态区里找，(*ptr)是对象，this指针将ptr传递到代码段中，而不是this指针去栈中寻找Print()，本质问题Print()也不栈中。

void TestPerson3()
{Person* ptr = nullptr;(*ptr).Print();             cout << (*ptr)._count << endl; 
}

♦通过反汇编也能发现，*ptr与ptr->处理方式是一样，将ptr传到寄存器中ecx中，call压入返回地址，然后转入到目标函数中。

Ⅶ.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。

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。

♦如图所示，Student和Teacher都有名字，在实际情况下尽管Assistant（助教）既是老师又是学生，但他的名字都应该只有一个，这产生就是二义性。两份名字也就造成了数据冗余。

#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};

♦当Assistant访问自己名字时，由于二义性的原因，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

void Test()
{Assistant a;a._name = "peter";//访问不明确-错误a.Student::_name = "xxx";a.Teacher::_name = "yyy";
}

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。

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

♦虚继承是在继承Student和Teache继承Person这一层进行的，在这一层就可以直接使得Person只在一个子类拥有。

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

class A
{
public:int _a;
};class B : public A
//class B : virtual public A
{
public:int _b;
};class C : public A
//class C : virtual public A
{
public:int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:int _d;
};int main()
{D d;d._b = 1;d._c = 2;d._d = 3;d.B::_a = 4;d.C::_a = 5;return 0;
}

♦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。

♦普通继承C中有A，B中A导致了数据冗余和二义性。

♦下图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放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和 C，那么B和 C如何去找到公共的A呢？这里是通过了B和C的两个指针，指向的一张表。这两个指针叫虚基表指针，这两个表叫虚基表。虚基表中存的偏移量。通过偏移量可以找到下面的A。

♦通过计算基类对象的偏移量，可以发现虚基表的作用是找到A，B/C有虚基表。

♦首先明白虚基表存放的是虚基类对象的偏移量，虚基类不是在对象里面，只是放在对象下面，但是下面的偏移量多少是不确定的，所以需要虚基表存储偏移量来计算。

♦在普通情况下，指针会直接按对应的位置进行查找 (声明顺序)，而虚基类指针会通过虚基表的偏移量进行查找

Ⅷ.继承的总结和反思

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。

多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言(面向对象的语言)都没有多继承，如Java。

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。

◕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。

// 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 = "渝F6666"; // 车牌号Tire _t; // 轮胎};

三个面试问题