【C++进阶】--- 继承
1.继承的概念和定义
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，它允许我们在保持原有类特性的基础上进⾏扩展，增加⽅法(成员函数)和属性(成员变量)，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。以前我们接触的函数层次的复⽤，继承是类设计层次的复⽤。
下⾯我们看到没有继承之前我们设计了两个类Student和Teacher，Student和Teacher都有姓名/地址/电话/年龄等成员变量，都有identity⾝份认证的成员函数，设计到两个类⾥⾯就是冗余的。当然他们也有⼀些不同的成员变量和函数，⽐如⽼师独有成员变量是职称，学⽣的独有成员变量是学号；学⽣的独有成员函数是学习，⽼师的独有成员函数是授课。
我们可以将这些公共的成员都放到Person类中，Student和teacher都继承Person，就可以复⽤这些成员，就不需要重复定义了，省去了很多⿇烦
前面的public表示共有继承，这个等下讲
class Person
{
public:// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 void indentity(){cout << "void identity()" << " " << _name << endl;}
protected:string _name = "张三"; //姓名string _address; //地址string _tel; //电话int _age = 18; //年龄
};class Student : public Person
{
public://学习void study(){//...}protected:int _stuid; //学号
};class Teacher :public Person
{
public://授课void teaching(){//...}
protected:string title; //职称
};
1.2继承定义
1.2.1定义格式
下⾯我们看到Person是基类，也称作⽗类。Student是派⽣类，也称作⼦类。(因为翻译的原因，所以既叫基类/派⽣类，也叫⽗类/⼦类)
1.2.2继承基类成员访问方式的变化
- 基类private成员在派⽣类中⽆论以什么⽅式继承都是不可⻅的。这⾥的不可⻅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。
- 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。
- 实际上⾯的表格我们进⾏⼀下总结会发现，基类的私有成员在派⽣类都是不可⻅。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。
1.3继承类模板
基类是类模板时，需要指定一下类域，否则会提示找不到标识符，因为stack实例化时，也实例化了vector，但模板是按需实例化的，push_back等成员函数并未实例化，所以会提示找不到
（新版编译器在模板实例化这块，会检查那些不依赖于模板的，依赖于模板的不会进行检查，老版本则就是实例化的时候才检查，反之不检查）
//继承类模板
namespace wsj
{template<class T>//继承方式记得写class stack : public std::vector<T>{public:void push(const T& x){// 基类是类模板的时候，需要指定类域使用// 因为模板是按需实例化的vector<T>::push_back(x);//push_back(x);//错误写法}void pop(){vector<T>::pop();}const T& top(){return vector<T>::back();}bool empty(){return vector<T>::empty();}};
}
2.基类和派生类间的转换
- public继承的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。寓意把派⽣类中基类那部分切出来，基类指针或引⽤指向的是派⽣类中切出来的基类那部分。
- 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(Run-Time Type Information)的dynamic_cast来进⾏识别后进⾏安全转换
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，其原因是因为基类的指针或者引用可能指向的就是派生类，而派生类自己指向自己或者引用自己是没问题的。
dynamic_cast会识别指针是指向父类还是子类的，如果指向子类则转换成功，指向父类则转换失败，不过他要求父类是多态类型，后面再细讲，这里简单了解一下。
class Person
{//虚函数virtual void func(){}
public: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;// 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;//修改父类引用就是修改子类里的内容rp._name = "张三";int i = 1;double d = i;//这里说明派生类赋值给基类的过程不是类型转换，因为类型转换会产生临时变量//而临时变脸具有常性，所以引用临时变量需要加constconst double& rd = i;//2.父类对象不能赋值给子类对象，这里会编译报错//sobj = (Student)pobj;//3.强转//强转都会成功，dynamic_cast则会检查Student* ptr=(Student*)pp;//dynamic_cast会识别指针是指向父类还是子类的//如果指向子类则转换成功，指向父类则转换失败//不过他要求父类是多态类型，后面再细讲，这里简单了解一下Student* ps1 = dynamic_cast<Student*>(pp);//转换成功cout << ps1 << endl;pp = &pobj;Student* ps2 = dynamic_cast<Student*>(pp);//转换失败cout << ps2 << endl;return 0;
}
3.继承中的作用域
3.1隐藏规则
- 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，派⽣类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏。
（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。
（因为成员函数构成重载的条件之一是重载函数必须存在于同一作用域，而基类和派生类都有独立的作用域） - 注意在实际中在继承体系⾥⾯最好不要定义同名的成员。
class Person
{
public:void fun(){cout << "func()" << endl;}protected:int _num = 111; // ⾝份证号
};
class Student : public Person
{
public:void fun(int i){cout << "func(int i)" << i << endl;}void Print(){//派生类会将基类的同名变量进行隐藏，需要指定类访问cout << "学号:" << _num << endl;cout << "身份证号:" << Person::_num << endl;}
protected:int _num = 999; // 学号
};
int main()
{Student s1;s1.Print();//同名成员函数构成的是隐藏，因为存在于不同的作用域，需要指定类域访问s1.fun(10);s1.Person::fun();return 0;
};
4.派生类的默认成员函数
4.1四个常见的成员函数
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，那么在派⽣类中，这⼏个成员函数是如何⽣成的呢？
- 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。
- 派⽣类的拷⻉构造函数必须调⽤基类的拷⻉构造完成基类的拷⻉初始化。
- 派⽣类的operator=必须要调⽤基类的operator=完成基类的复制。需要注意的是派⽣类的operator=隐藏了基类的operator=，所以显⽰调⽤基类的operator=，需要指定基类作⽤域
- 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。
- 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。
（需要注意的是，不管是否在派生类中显示写构造、析构、拷贝构造函数，都会调用基类的这些相关函数）
8. 因为多态中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(这个我们多态章节会讲解)。那么编译器会对析构函数名进⾏特殊处理，处理成destructor()，所以基类析构函数不加virtual的情况下，派⽣类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。（意思就是如果不对基类和派生类的析构函数做特殊处理，编译器会将两者的析构函数都处理成destructor()，因为函数名相同，所以两者的析构函数构成隐藏）
注意：
- 父类没有默认构造的话，才需要在子类的构造函数的初始化链表显示调用
- 子类和父类的operator=构成隐藏关系
- 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现拷贝构造和赋值运算
- 析构函数会被特殊处理成destuctor()，所以子类和父类的析构函数构成隐藏关系
- 不需要在子类的析构函数中调用父类的析构函数，编译器会在子类析构函数之后自动调用父类的析构函数，这样可以保证先子后父。
//四个常见的默认成员函数
//构造、拷贝构造、赋值、析构
class Person
{
public://父类有默认构造的话，子类的构造函数的初始化链表不需要显示调用//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:// 默认生成的构造函数// 1、内置类型：不确定// 2、自定义类型：调用其默认构造// 3、父类：调用父类的默认构造// 父类没有默认构造才需要在子类的初始化链表显示调用// 父类是被继承的，是最先声明的，会先初始化Student(const char* name,int num,const char* addrss):Person(name),_num(num),_addrss(addrss){}// 严格说Student默认生成的拷贝构造就够用了// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现Student(const Student& s)// Person(const Person& p),基类与派生类之间的转换// public继承的派⽣类对象可以赋值给基类的指针/基类的引⽤。:Person(s),_num(s._num),_addrss(s._addrss){}// 严格说Student默认生成的赋值运算就够用了// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现Student& operator=(const Student& s){if (this != &s){//父类和子类的operaotr=构成隐藏关系Person::operator=(s);_num = s._num;_addrss = s._addrss;}return *this;}// 严格说Student默认生成的析构就够用了// 如果有需要显示释放的资源，才需要自己实现~Student(){// 析构函数都会被特殊处理成destructor()，从而构成隐藏关系// 规定：不需要显示调用父类的析构函数，子类析构函数之后，会自动调用父类析构// 这样保证析构顺序，先子后父，显示调用取决于实现的人，不能保证先子后父// 尽管显示写了，子类析构之后，依旧会自动调用父类的析构函数//从而造成重复析构的问题//Person::~Person();//delete _ptr;}protected:int _num = 1; //学号 string _addrss = "福建省莆田市";//地址//int* ptr = new int[10];
};
int main()
{Student s1("阿辛", 10, "福建省");Student s2(s1);Student s3("一一", 11, "西安");s3 = s2;return 0;
}
4.2实现一个不能被继承的类
- ⽅法1：基类的构造函数私有，派⽣类的构成必须调⽤基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派⽣类看不⻅就不能调⽤了，那么派⽣类就⽆法实例化出对象。
- ⽅法2：C++11新增了⼀个final关键字，final修改基类，派⽣类就不能继承了。（final表示这个类是最终类，最终类无法被继承）
// C++98的方法
class Base
{
private:Base(){}
};// C++11的方法
class Base final
{
public:Base(){}
};class Derive:public Base
{};
5.继承和友元
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，即父类的友元不是子类的友元。
（解决方法：在子类中也声明友元）
//前置声明
class Student;class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name = "张三";
};class Student
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _stuNum = "1212";
};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;
}
6.继承与静态成员
基类定义了static静态成员，则整个继承体系⾥⾯只有⼀个这样的成员。⽆论派⽣出多少个派⽣类，都只有⼀个static成员实例。
class Person
{
public:string _name;static int _count;
};int Person::_count = 11;class Student:public Person
{
};int main()
{Person p;Student s;// 非静态成员_name地址不一样// 说明子类继承下来了，父类和子类对象各有一份cout << &p._name << endl;cout << &s._name << endl;// 静态成员_count地址一样// 说明子类和派生类共用一份静态成员cout << &p._count << endl;cout << &s._count << endl;cout << p._count << endl;cout << s._count << endl;// 公有情况下，指定类域可以访问成员cout << Person::_count << endl;cout << Student::_count << endl;return 0;
}
7.多继承及其菱形继承问题
7.1继承模型
-
单继承：⼀个派⽣类只有⼀个直接基类时称这个继承关系为单继承
-
多继承：⼀个派⽣类有两个或以上直接基类时称这个继承关系为多继承，多继承对象在内存中的模型是，先继承的基类在前⾯，后⾯继承的基类在后⾯，派⽣类成员在放到最后⾯。
-
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。⽀持多继承就⼀定会有菱形继承，像Java就直接不⽀持多继承，规避掉了这⾥的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。
菱形继承会造成数据冗余和二义性的问题，比如下面Assistant继承了Student和Teacher,这两者又都继承了Person，都有一份_name，这两个_name不是同一份，是独立的，这造成我们想访问_name得先指定类域。
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;
};int main()
{Assistant a;// _name访问不明确//a._name = "peter";//需要指定类域使用a.Student::_name = "xxx";a.Teacher::_name = "yyy";return 0;
}
7.2虚继承
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，性能也会有⼀些损失，所以最好不要设计出菱形继承。多继承可以认为是C++的缺陷之⼀，后来的⼀些编程语⾔都没有多继承，如Java
虚继承即在菱形继承的时候，对父类的所有直接派生类的继承方式前加上virtual关键字，这样可以使得所有子类只保留一份实例，从而消除数据冗余及二义性
class Person
{
public:string _name;
};class Student :virtual public Person
{
protected:int _num;
};class Teacher :virtual public Person
{
protected:int _id;
};class Assistant :public Student, public Teacher
{
protected:string _majorCourse;
};int main()
{Assistant a;a._name = "peter";return 0;
}
下图也属于菱形继承，要想使得其变成需继承，则需要在父类的所有派生类的继承方式前加上关键字virtual
7.3多继承中指针偏移问题
下⾯说法正确的是：C
A：p1p2p3 B：p1<p2<p3 C：p1==p3!=p2 D：p1!=p2!=p3
这题涉及多继承和基类和派生类间的转换
- 基类和派生类间的转换:派生类可以赋值给基类的对象/指针/引用，这些都只会指向基类原本的那一部分
- 多继承：多个父类在子类内存中出现的顺序是，谁先继承谁在前面，假如下题中的多继承顺序是class Derive : public Base2, public Base1，那答案则是p2==p3!=p1
class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main()
{Derive d;Base1* p1 = &d;Base2* p2 = &d;Derive* p3 = &d;return 0;
}
8.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。
- 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，基类的内部细节对派⽣类可⻅。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。这种复⽤⻛格被称为⿊箱复⽤(black-boxreuse)，因为对象的内部细节是不可⻅的。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。
- 优先使⽤组合，⽽不是继承。实际尽量多去⽤组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过也不太那么绝对，类之间的关系就适合继承(is-a)那就⽤继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系既适合⽤继承(is-a)也适合组合(has-a)，就⽤组合。
// 继承
template<class T>
class stack :public std::vector<T>
{
};// 组合
template<class T>
class stack
{
public:vector<T> _v;
};
简而言之，继承的耦合度高，组合的耦合度低，我们写代码的时候追求高内聚，低耦合，因此，在继承和组合方式都能用的情况下，我们应该优先选择组合
（高内聚：让模块 “做好一件事”，提升自身的完整性和可维护性。
低耦合：让模块 “独立工作”，减少对外部的依赖和影响。）