C++【继承】

1.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。

//父类
class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三"; //姓名
	int _age = 18;     //年龄
};
//子类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuid;   //学号
};
//子类
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _jobid;   //工号
};
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继承后，父类person的成员函数，变量，都会变成子类的一部分，也就是子类student，teacher复用了父类person的成语。

继承的定义

定义格式

继承的定义格式如下：

注意：Person是父类，也称作基类。student是子类，也称作派生类。

继承方式和访问限定符

访问限定符和继承的方式各有以下三种：

继承基类成员访问方式的变化

基类当中被不同访问限定符修饰的成员，以不同的继承方式继承到派生类当中后，该成员最终在派生类当中的访问方式将会发生变化。

总结：

稍作观察，实际上基类成员访问方式的变化规则也不是无迹可寻的，我们可以认为三种访问限定符的权限大小为：public > protected > private，基类成员访问方式的变化规则如下：

1. ​ 在基类中的访问方式为private的成员，在派生类中都不可见的。
2. ​ 在基类中的访问方式为protected或public的成员，在派生类当中的访问方式变为：Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)。

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，不可见是什么意思？

​ 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。例如：

class person {
public:
private:
	string _name;
};
class student :public person
{
public:
	void print()
	{
		cout << _name;//在派生类中不可访问基类的私有
	}
protected:
	int _stid;//学号
};
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3 .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。

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。

注意：

5 .在实际运用中一般使用都是以public为继承方式，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。

常见的使用：

父类成员：public和protected

子类继承方式：public

// 实例演示三种继承关系下基类成员的各类型成员访问关系的变化
class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _name << endl;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
private:
	int _age; // 年龄
};
class Student : protected Person
//class Student : private Person
//class Student : public Person
{
protected:
	int _stunum; // 学号
};
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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。

2.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。

//基类
class Person
{
protected:
	string _name; //姓名
	string _sex;  //性别
	int _age;     //年龄
};
//派生类
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _stuid;   //工号
};

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Teacher s;
Person p = s;     //派生类对象赋值给基类对象
Person* ptr = &s; //派生类对象赋值给基类指针
Person& ref = s;  //派生类对象赋值给基类引用
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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。

如图：

派生类对象赋值给基类指针，引用；派生类指针访问范围图示：

特别注意：
1、切片的前提必须是公有继承，原因权限的改变,权限不一致会有所影响。
2、这里不存在类型转换，类型转换需要开辟临时变量，这里是语法天然支持的行为。
3、虽然父亲切片给儿子不行，但是父亲的指针/引用是可以切片给儿子的，这时候指针访问的范围扩大，存在访问越界的风险。如果想没有风险那么基类的指针必须是指向派生类对象时才是安全的。（这里涉及多态的知识 ）

3.继承中的作用域（坑）

1、在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
2、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）。
3、隐藏不在同一作用域，重载在同一作用域，并且隐藏只与子类有关系。
例如：

// 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
//父类
class Person
{
 public:
	void fun()
	{
		cout << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 111;
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	void fun()
	{
		cout << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999;
};
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如果要子类要访问父类的成员，我们可以指定作用域即可

void fun()
	{
		cout << Person::_num << endl;
	}
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3、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。

特别注意
成员函数构成隐藏，那么子类对象要调用父类同名函数那么必须指定作用域，同名函数有可能参数不同，但是它们不构成重载，因为不在同一作用域里，如果参数不同但是你调用父类的同名函数又没有指定作用域那么编译器无法找到，会报错。例如：

class A {
public:
	void fun()
	{
		cout << "fun() A\n";
	}
};
class B :public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "fun() B\n";
	}
};
void Test1()
{
	B b;
	b.fun(1);//
	b.fun();//报错
	b.A::fun();//
}
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4、注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员

4.派生类的默认成员函数

默认成员函数就是如果我们不写，编译器就会自动生成的成员函数，如果我们写，那么也叫默认成员函数。下面是6个默认成员函数：

1、派生类重点的四个默认成员函数----析构 构造 赋值 拷贝

我们不写，编译器默认生成的会干些什么事情？

我们不写默认生成的派生类的构造和析构会做些什么？

a、父类继承下来的成员（处理方式：调用父类默认构造和默认析构）
b、派生类的成员 （处理方式：根普通类一样对内置类型不处理，调用自定义成员的默认构造与析构）；

我们不写默认生成的派生类的拷贝和operator=会做些什么？

​a、父类继承下来的成员（处理方式：调用父类拷贝构造和operator=）
b、派生类的成员 （处理方式：根普通类一样浅拷贝）；

什么情况必须自己写？

​ a、父类没有默认构造函数，需要我们自己显示写构造。

​ b、如果子类有资源需要释放，就需要自己显示写析构。

​ c、如果子类存在浅拷贝问题，就需要自己实现拷贝构造和赋值解决浅拷贝问题。

如果我们要写，要做些什么事情呢？

​ a、父类成员显示调用父类的对应构造，拷贝构造、operator=和析构处理

​ b、派生类的成员按照普通类处理。

//基类
class Person
{
public:
	//构造函数
	//Person(const string& name = "peter")
	Person(const string& name)// 父类没有默认构造---不带参数的构造函数
		:_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
};
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//派生类
class Student : public Person
{
public:
	//构造函数
	Student(const string& name, int id)//如果基类没有写无参的构造
		: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 的拷贝构造函数与赋值运算符重载其实可以不写，为了演示
	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;
	}
private:
	int _id; //学号
};

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注意析构函数：

1、析构函数名字会被统一处理成destructor()。因为函数名参数返回值相同是构成重写的条件，重写也是多态的一个条件(ps:多态章节为讲解)。子类和父类的析构函数名相同，子类和父类的析构函数就构成隐藏。
2、子类析构函数结束时，会自动调用父类的析构函数 ，所以实现子类析构时，无需显示调用父类析构，这样就可以保证先析构子类成员，再析构父类成员。

	//析构函数
	~Student()
	{
		//Person::~Person();//不需要显示调用
		//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
	}
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原则，继承下来的成员调用父类默认成员函数处理，除了析构要注意它是先调用子类在自动调用父类，自己的按普通类基本规则。

5.继承与友元(简单了解即可)

友元关系不能继承，也就是说基类的友元可以访问基类的私有和保护成员，但是不能访问派生类的私有和保护成员。例如：

#include 
#include 
using namespace std;
class Student;
class Person
{
public:
	//声明Display是Person的友元
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; //姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _id; //学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl; //可以访问
	cout << s._id << endl; //无法访问
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}
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如果想访问子类私有成员，子类也必须有display的友元申明；

class Student : public Person
{
public:
    friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	int _id; //学号
};
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总结：爸爸的朋友不一定是我们的朋友，如果想成为朋友一定也可以实现的。

6.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。

#include 
#include 
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;
	cout << Person::_count << endl; //3
	cout << Student::_count << endl; //3
    cout << Person::&_count << endl; //地址p
	cout << Student::&_count << endl; //地址p
	return 0;
}
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7.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。

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 。

#include 
#include 
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;
}
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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。

不明确是因为存在二义性，编译器不知道该在那个类域里获取，为了解决二义性我们可以指定类域

int main()
{
	Assistant a;
	a.Student::_name = "peter"; 
	a.Teacher::_name = "Ben"; 
}
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虽然我们解决了二义性，但是Assistant继承下来的成员还是存在冗余。

菱形虚拟继承

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。 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 
#include 
using namespace std;
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
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int main()
{
	Assistant a;
    a._name="Ben";//解决了二义性
    //             解决了数据冗余
	cout<<a.Student::_name<<endl;//Ben
    cout<<a.Teacher::_name<<endl;//Ben
	cout << &a.Student::_name << endl; //地址p
	cout << &a.Teacher::_name << endl; //地址p
}
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菱形虚拟继承原理

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。

class A
{
public:
	int _a;
};
class B : public A
{
public:
	int _b;
}; 
class C : 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;
}
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下图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余

下面是没有使用虚继承时，对象在内存中的存储模型；

D类对象当中各个成员在内存当中的分配如下：

这里我们确确实实看出了，对象有两份_a，------存在冗余,并且数据模型是按照继承的先后顺序。

下面我们来看看虚拟继承后的对象存储模型

代码：

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;
}
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下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型，d对象中将A类的成员放到的了对象组成的最下面，这个A类成员同时属于B类和C类，那么B类和C类如何去找到公共的A类呢？这里是通过了B类和C类的两个指针，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。通过偏移量并且经过一系列的计算可以找到下面的A类成员。

我若是将D对象赋值给B对象将会怎样？

编译器通过找到D对象的B类成员的虚基表指针，通过偏移量计算找到A类成员，把A类成员又作为B类虚基类成员，用虚基表保存新的偏移量。

8.继承的总结和反思

1. 很多人都说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就可能存在菱形继承，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菱形继承，否则代码在复杂度及性能上都容易出现问题，当菱形继承出问题时难以分析，并且会有一定的效率影响。

2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO(Object Oriented)语言都没有多继承，如Java。

3. 继承和组合

   1. 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。

   2. 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。

      例如：

      car 与 宝马车就是一种is-a的关系，而car与轮胎和引擎就是has-a的关系。

   对应代码如下：

   is-a 关系：

   class Car
   {
   protected:
    string _colour; //颜色
   	string _num; //车类型
   };
   class Benci : public Car
   {
   public:
    string _name="Benci";
   };
   
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   has-a 关系：

   class Tire : public Car
   {
   public:
   	int _size;//轮胎大小
   	int _material；// 材料
   };
   class Car
   {
   protected:
    string _colour; //颜色
    string _num; //车牌号
    Tire _tire;//轮胎
   };
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   若是两个类之间既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。

   原因如下：
   ​ [具体内容]
   1 . 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-boxreuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对于派生类可见，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性关系很强，耦合度高。
   2.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，这种复用风格被称之为黑箱复用(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。
   3 . 实际中尽量多使用组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也是有用武之地的，有些关系就适合用继承，另外要实现多态也必须要继承。若是类之间的关系既可以用继承，又可以用组合，则优先使用组合。

9 .面试题

什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

举例子ABCD的关系形成，导致数据冗余和二义性。详细如下：

菱形继承是多继承的一种特殊情况，两个子类继承同一个父类，而又有子类同时继承这两个子类，我们称这种继承为菱形继承。菱形继承因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致 数据冗余和二义性的问题。

什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的

菱形虚拟继承是指在菱形继承的腰部使用虚拟继承(virtual)的继承方式，菱形虚拟继承对于D类对象当中重复的A类成员只存储一份,然后采用虚基表指针和虚基表使得D类对象当中继承的B类和C类可以找到自己继承的A类成员，从而解决了数据冗余和二义性的问题。

继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

继承是一种is-a的关系，而组合是一种has-a的关系。如果两个类之间是is-a的关系，使用继承； 如果两个类之间是has-a的关系，则使用组合；如果两个类之间的关系既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。