【C++】继承详解_c++继承-CSDN博客

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C++ 继承

一、继承的概念与定义
二、继承中的作用域
三、基类和派生类对象赋值转换
四、派生类的默认成员函数
五、继承与友元
六、继承和静态成员
七、菱形继承
八、继承和组合
九、继承的面试题目

一、继承的概念与定义

1.1 继承的概念及定义

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。

关于概念的介绍可能比较抽象，我们来举例一个继承的使用场景就知道其作用了。

我们想实现一个学校的人员管理系统。
在学校中有三类人，学生、教师、后勤人员。
这三种身份都有不同的职能，所以我们要将其封装成三个类。
但是学生、教师、后勤类在定义的时，这三种身份必然有共同的成员变量(属性)和数据。如图：

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这些共有的数据和方法我们便可以提取放到一个公有的类person类中。学生、教室、后勤再继承 person 类。

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1.2 继承定义

1.2.1 定义格式

那子类是继承父类的格式是如果书写的呢？

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那现在我们来使用一下继承

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1.2.2 继承关系和访问限定符

C++中继承关系非常复杂，三种继承方式下三种访问限定符，那一共有九种继承方式，这也是C++设计的一大缺陷。其实我们在使用中99%都使用的公有继承。
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1.2.3 继承基类成员访问方式的变化

使用不同继承方式，父类中不同访问限定符限制的成员属性会发生变化。如图所示:
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总结：

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被继承到了派生类对象中，但是语法上限制派生类对象爱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的，如果基类成员不想再类外直接被访问，但需要再派生类中能访问，就定义为 protected 。可以看出保护成员限定符是因继承才出现的。，值允许让派生类中可以访问。
实际上面的表格我们呢进行一下总结就会发现，基类的私有成员在子类中是不可见的。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。
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，不过最好是显示写出继承方式。
在实际运用中99%都使用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中使用，实际中继承维护性不强。

如果我们将基类的访问限定符设置为 protected。
那只能在派生类的类中进行访问，类外不能访问

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关于什么是不可见：
即只要是 private ，不管是类中还是类外都不能进行访问。

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二、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。
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，这猴子那个情况叫隐藏，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。
注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

接下来我们就来看看这个现象：

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然后我们来看一个常见的面试题。
通常会进行以下提问：两个函数构成函数重载

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注意，这里不构成函数重载，这里两个函数构成隐藏关系。
如果我们想调用到，要指定类域。

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三、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做切片或者切割。寓意吧派生类中父类那部分切来进行赋值过去。
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 来识别今后进行安全转换。(ps:这个我们以后使用场景不多，暂时不做讲解)

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使用举例：

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为验证这种赋值转换不是强制类型转换，而是切分(C++为此特殊进行的处理)其不是隐式类型的转换。不使用 const 都无法通过编译。
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基类对象不能赋值给派生对象

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四、派生类的默认成员函数

关于继承中，默认成员函数分为两个大的部分，一个是派生类的默认成员函数部分，一个是基类的默认成员函数部分。

6个默认成员函数，"默认"的意思是指我们不写，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= 必须调用基类的 operator= 完成基类的赋值。
派生类的析构函数会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用派生类构造。
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(后续了解)。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。

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4.1 子类默认生成的构造函数会干嘛：

1.自己的成员，内置类型不处理，自定义类型调用其本身的构造函数
2.继承父类成员，必须调用父类的默认构造函数初始化。
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如果我们将 Person(父类)中的默认构造函数去掉(即去掉缺省参数)，则会出现以下情况：

这时我们还可以自己主动写一个派生类的默认构造函数。

在C++ prime中，称之派生类为一种合成版本，基类部分去调用基类的构造函数，派生类调用派生类的构造函数。因为基类构造是一个整体，所以要提前去进行构造，类似创建一个匿名对象。
这个用法大家要注意一下。

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4.2 子类的拷贝构造函数会干嘛

自己的成员，内置类型进行值拷贝，自定义类型调用其本身的拷贝构造函数。
继承父类成员，必须调用父类的默认构造函数初始化。

接下来，我们自己来实现一下子类的构造函数

重点在于如果调用父类的构造函数
理解切片的意义

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4.3 子类的赋值运算符重载要干嘛

赋值运算符重载的重点在于我们要显示的调用自己的父类的赋值运算符重载函数。
因为默认构成隐藏。

接下来我们来写一下派生类的赋值运算符重载。以下是直接利用切片准备调用父类的赋值运算符重载。
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以上这种写法，程序一段时间就会崩溃，因为没有显示基类的函数，导致了无限递归。

以下这种写法才是正确的：
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4.4 子类的析构函数会做什么

我们先自己写一个派生类的析构函数，看看结果。
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发现，这个结果出现了两个奇怪的现象。
1、父类的析构怎么每次都被调用了两次。
2、刨除我们的显示调用的父类析构函数，默认的好像是先进行父类的析构，然后再进行子类的析构。

关于以上两个现象，我们得出以下结论：

我们无需显示调用父类的析构函数。
每个子类析构函数后面，会自动调用父类析构函数，这样才能保证先析构子类，再析构父类。

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关于上面的构造、拷贝构造、赋值运算符重载，都是先调用基类的，再调用派生类的。
但是关于析构函数，顺序就进行了颠倒，因为数据都是在栈上开辟的。要先进行子类的析构，然后进行父类的析构。

五、继承与友元

友元关系不能被继承，如果一个函数也成为子类的友元，则要到子类中声明友元。

六、继承和静态成员

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。

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七、菱形继承

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

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多继承：一个子类有两个或以上的直接父类时称这个继承关系为多继承

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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：从下面的对象成员模型构造，可以看出菱形继承有数据赘余和二义性的问题，在 Assistant 的对象中 Person成员会有两份。

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虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据赘余的问题。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，虚拟继承不要在其它地方去使用。

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菱形继承在实际中使用非常少，在开发中也尽量避免使用菱形继承，但是在C++的IO流中就是使用的菱形继承。
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为了研究虚拟继承原理，这里给出了一个简化的菱形继承体系，再借助内存窗口观察对象或成员的模型。

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不使用虚拟继承的情况如下：
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在此特意标注出B类域中的_a、C类域中的_a。很明显的可以发现数据的冗余。

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其中每个类的成员都是独立的。但是存在二义性，需要指定类域去访问。

如果我们按照上面的方式使用虚拟继承，大家观察现象
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关于 _a ，B类和C类中公用一个 _a ，地址相同。

如果上面的结果看的不够准确，接下来我再进行一下优化。

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发现，在_b、_c 其中存储了一个指针，其指向如下：
这个指针指向的值是当前指针相对 _a 的偏移量。

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通过了B和C的两个指针，指向的一张表。这两个指针叫虚基指针，这两个表叫虚基表。虚基表中存的是偏移量，通过偏移量就可以找到下面的A。

这里的 20 和 12 是一个距离(偏移量)，距离共有的 _a 的距离。
即从0x00 53 FE 90 偏移 20 个单位 (5个字节) 正好的 _a 的地址。
从0x00 53 FE 98 偏移 12 个单位 (3个字节) 到达 _a 的地址。

下面是关于 Person 关系菱形虚拟继承的原理解释：

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这样设计的目的是在子类给父类赋值时，就要通过该指针指向的偏移量计算到公有的成员变量的地址，然后进行切分赋值。

关于以上的内容，我们可以使用 VS 的开发人员命令提示工具来底层是如何存放的。
(为了显示，将Class D 改为 Class Dmp，仅仅是为了方便观察)

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使用命令行提示工具的查询步骤：

进入文件所在目录
输入指令(只用修改类名和文件名即可)

指令为：cl /d1 reportSingleClassLayoutDmp “文件名”。

八、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。
组合是一个 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，耦合度很强。

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合或组合对象来获得。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，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。