C++中的继承

一、介绍

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。

二、继承的定义

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。

2.继承关系和访问限定符

3.继承基类成员访问方式的变化

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。

6.对表格的理解，简单来说：

就是使用public继承时，会将基类的public和protected部分原封不动的（包括其访问限定）被派生类继承下来，而private部分的对派生类来说是不可直接访问的

protected继承则是，将基类（父类）的public属性转换为protected属性继承到派生类（子类）中，基类的private仍然不可直接访问

private继承是将基类的public属性和protected属性都转换成private的属性继承到派生类中，但private部分仍然不可直接访问

三、基类和派生类对象赋值转换

1.介绍

派生类的对象可以赋值给基类对象、指针、引用，这个过程就是基类和派生类对象的赋值转换，但基类不能给派生类赋值，这个过程也被形象的叫作切片或者切割

2.三种实际情况代表的含义

派生类对象给基类对象赋值时，意为着将派生类中，基类的那一部分进行了拷贝，并且过程中不会出现隐式类型转换，直接赋值给了基类对象。

派生类对象给基类指针赋值时，意为着此时该基类指针，指向的是派生类继承基类的那一部分，指针操作的对象是派生类，但仅限于继承下来的部分允许用该指针访问

派生类对象给基类引用赋值时，该引用代表着派生类中从基类继承下来的那一部分，同样是不允许对除开继承下来的其他部分操作

3.举例

class Person
{
protected :
 string _name; // 姓名
    string _sex;  // 性别
    int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public :
 int _No ; // 学号
};
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 ;
 Person* pp = &sobj;
 Person& rp = sobj;
    
 //2.基类对象不能赋值给派生类对象
    sobj = pobj;
    
    // 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;
}

四、继承中的作用域关系

1.作用域关系

在继承体系中父类和子类都有独立的作用域。因此在父类和子类存在相同命名但函数时，也不会构成函数重载，而是构成隐藏。

2.隐藏

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），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，因此注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

举例如下，在父类和子类中有着相同名字的成员变量，在调用子类时，使用到该成员变量时，会出现混淆，由于子类和父类是独立作用域，因此不会报错，执行时会默认使用自己子类自身的那一个

// 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:"<
 cout<<" 学号:"<<_num<
 }
protected:
 int _num = 999; // 学号
};
void Test()
{
 Student s1;
 s1.Print();
};

函数名相同时，也是构成隐藏，而不是重载

class A
{
public:
 void fun()
 {
 cout << "func()" << endl;
 }
};
class B : public A
{
public:
 void fun(int i)
 {
 cout << "func(int i)->" <
 }
};
void Test()
{
 B b;
 b.fun(10); // func(int i)->
 b.A::fun(); // func()
};

五、派生类的默认成员函数

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. 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成派生类中对基类部分的拷贝初始化。

3. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成对派生类中基类部分的复制。

4. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构，与构造函数相反，派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。

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。

6. 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。

class Person
{
public :
 Person(const char* name = "peter")
 : _name(name )
 {
 cout<<"Person()" <
 }
    
 Person(const Person& p)
 : _name(p._name)
 {
cout<<"Person(const Person& p)" <
 }
    
 Person& operator=(const Person& p )
 {
 cout<<"Person operator=(const Person& p)"<< endl;
 if (this != &p)
 _name = p ._name;
        
 return *this ;
 }
    
 ~Person()
 {
 cout<<"~Person()" <
 }
protected :
 string _name ; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public :
 Student(const char* name, int num)
 : Person(name )
 , _num(num )
 {
 cout<<"Student()" <
 }
 
 Student(const Student& s)
 : Person(s)
 , _num(s ._num)
 {
 cout<<"Student(const Student& s)" <
 }
 
 Student& operator = (const Student& s )
 {
 cout<<"Student& operator= (const Student& s)"<< endl;
 if (this != &s)
 {
 Person::operator =(s);
 _num = s ._num;
 }
 return *this ;
 } 
 
 ~Student()
 {
 cout<<"~Student()" <
 }
protected :
 int _num ; //学号
};
void Test ()
{
 Student s1 ("jack", 18);
Student s2 (s1);
 Student s3 ("rose", 17);
 s1 = s3 ;
}

六、友元和静态成员

1.继承中的友元

继承关系中的友元关系不被继承，如果继承后仍然需要使用友元，需要再一次声明即可

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);
}

2.继承中的静态成员

继承中的静态成员不会重新再创建一个静态成员，而是所有继承关系中的派生类与基类共用同一份静态成员

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
};
class Graduate : public Student
{
protected :
 string _seminarCourse ; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
 Student s1 ;
 Student s2 ;
 Student s3 ;
 Graduate s4 ;
 cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
 Student ::_count = 0;
 cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}

七、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

1.继承方式

单继承

多继承

菱形继承：类似于这种结构的都被称为菱形继承，其核心的问题是菱形继承有数据冗余和二义性

2.菱形继承的问题和解决办法

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。

参考代码

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
};
void Test ()
{
 // 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
 Assistant a ;
a._name = "peter";
// 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 = "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。

虚拟继承的使用就是在继承方式前加一个关键字virtual

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";
}

3.虚拟菱形继承的原理

虚拟继承的方式会改变实例化对象在内存中的结构，会将继承的那一部分存到其他地方（物理空间上大概就隔壁的感觉），并且会多实例化一份地址，地址定位的地方存储这从该对象，到继承内容的偏移量，因此在菱形虚拟继承时，分别从B、C中继承的A部分，实际上只实例化了一份，而在B、C中只是存放了关于偏移量的信息，使用的角度上看，依然可以用B、C去定位到A，但定位到的A只有一份，因此解决了数据冗余和二义性的问题

八、继承与组合

1.概念

继承的规则下直接访问到基类中的各个成员，而组合是通过成员变量去间接访问成员

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。

2.比较

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。

3.样例

// 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、常见的面试题

1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

答：菱形继承指的是在多继承的过程中，可能会出现在继承到子类的多个父类中，这些父类往上继承了同一个父类，此时最上边的父类的内容会被继承两次到子类中，这种继承方式最直观简单的结构就是菱形，因此叫菱形继承，这种继承方式会存在数据冗余和二义性的问题，即数据重复了，并且在信息上会存在歧义，在使用的角度上也会多很多麻烦。

2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的

菱形虚拟继承是为了解决菱形继承的问题而创造出来的一种继承方式，虚拟继承改变了对象实例化后在内存中的结构，他将从父类虚拟继承的那一部分内容单独拿一块相临的空间存着，然后在实例化的过程中会多存一份指针，该指针指向的空间存放着这个对象到从父类继承下来那部分的偏移量，在虚拟菱形继承的过程中，公共的那个父类数据只会实例化一份，而从虚拟继承下来的那两个部分去调用的都是同一份，并且是通过偏移量找到的同一块空间位置，因此能够解决数据冗余和二义性的问题。

3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

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。

具体情况下用哪个，是根据实际情况中，两者的关系来决定的，继承关系更多的是一种“A就是B”在这种感觉，只不过是A的范围比B要小，例如学生和人的关系，学生是人，这个时候用继承会比较合适，而组合更多是一种“A拥有B”的关系，两者相对概念上独立，B是A的一部分，例如车和轮胎的关系，通常可以用组合就尽可能的使用组合，而不用继承