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C++ 中的继承（详细讲解）

🕗 发布于 2024-09-20 01:04 c++  开发语言  

一、继承的概念以及定义

1、继承概念

  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。

  那怎么说继承是设计层次的复用呢？我们举例说明：

  我们生活在校园，每个学生、老师、保安等都有自己的身份信息，保存在学校的人员信息管理系统里: 

  学生有姓名、性别、学号，老师有姓名、性别、职工号，同理保安也是。 我们可以看出每类人员都有着重复的信息，这时，我们可以把他们共同的信息，存放到额外的Person类：

  此时Person类就叫做父类，也叫做基类，学生、老师、保安把公共的信息放到Person类，去继承Person类 ，此时他们被称为子类，也叫做派生类。

  我们之前需要在每个成员里面都要写重复的一些信息，现在继承之后就不需要了，把公共的信息存到别的类里，需要的时候我们去取，这就是类成员设计的复用

  我们用代码来简单看一下：

#include<iostream>
#include<string>

using namespace std;
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18;  // 年龄
};

class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}

运行结果：

  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。这里体现出了 Student和Teacher复用了Person的成员。

2、继承定义

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。

2.2 继承关系和访问限定符 

2.3 继承基类成员访问方式的变化 

记忆总结：

  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。 

  意思就是，我们拿基类成员的权限与派生类继承方式的权限作比较，基类的其他成员在子类的访问方式就是较小的那个权限方式。

私有成员的间接访问：

 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 都不能直接去访问它。 

  我们还是那我们上面举例用的代码来演示：

  我们把基类Person中的_age成员设置成私有，然后在派生类Student中打印_age成员，会报错，所以说，我们不可以直接取访问，但是我们可以间接去访问。

 我们直接调用基类Person中的打印函数Print(),就可以在派生类Student对象的调用下间接使用。

 其它总结：
  •   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。
  •   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，不写也会有，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。

二、基类和派生类对象赋值转换

  我们之前可能学过，一些不同类型之前可以转换，比如说我们的int 型与double 型，或者说unsigned int等整型都可以互相转换的，只不过精度会发生变化。但是int型不能转化为string类型，因为这两个类型一点也不相干，string类型也不可以解引用，因为其是自定义类型，由内置类型转化而来，类型之间转化又会产生临时变量，临时变量又具有常兴，不可解引用，需要加上const

1、父类与子类之间的转换

那我们有父类和子类呢？父类与父类之间可以相互转化，那么父类和子类可以转换吗？

  答案是可以的，但是需要注意，只有子类public继承父类才可以，保护和私有都是不可以的 

  这里我们会提出一个"is-a"的概念，什么是is-a呢?  就是每个子类对象都是一个特殊的父类对象

  你可以理解成，父类的每一个成员都在子类里面，"包含了父类"

2、"切片"概念 

  我们在把子类对象赋值给父类对象时，父类对象对找到自己独有的那一块数据进行"切片"

  在这里面有个兼容规则，切片的赋值兼容，就是编译器在这里做了特殊处理，使得子类赋值给父类的过程中不会产生临时对象，直接把子类中的父类那一部分直接拷贝过去，注：自定义类型需要拷贝构造

  我们简单证明一下：

我们在这里不加const是可以的，因为编译器做了特殊处理

2.1、普通赋值

我们普通赋值给父类，编译器会将父类那一部分切出来拷贝给父类

这里要记住：父类不能普通赋值给基类。

2.2、赋值引用

如果是赋值给引用，我们编译器会把切片后父类那一部分的别名赋值给引用

我们用Person类对象ref修改了_name成员，接着查看原Student类对象s中的_name成员，我们呢发现ref修改成员_name可以修改s中的_name成员，就证明了确实是把别名赋值给了引用对象

2.3、指针赋值

指针赋值，是把子类中父类那一部分的地址给父类对象

我们通过修改父类的指针中的_name对象可以看出来：

总结：

  • 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） 

三、继承中的作用域

  我们将类域扩展开来就有了我们的基类作用域和派生类作用域，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）

1、成员变量隐藏

我们演示一下：

  我们在基类Person类和派生类Student类中都新增_num成员，基类中的_num初始化为0，派生类中的_num初始化为1。

  这时，在派生类中就有两个_num成员，那我们打印时，会打印哪个呢？

代码：

class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18;  // 年龄
int _num = 0;
};

class Student : public Person
{
public:
void func()
{
cout << _num << endl;
}
protected:
int _stuid; // 学号
int _num = 1;;
};
int main()
{
Student s;
s.func();
return 0;
}

运行结果：

我们发现，打印出来的_num的值是派生类中的_num成员

1.1类内调用

那如果我们想打印基类中的_num成员呢？我们就需要用我们的域作用符：：

此时打印结果也是基类中的_num成员

1.2 类外调用

我们在类外想修改子类中基类的_num成员，应该怎么修改

我们也是直接用域作用符：：来调用基类的_num成员，修改后打印基类_num成员也是10

2、成员函数隐藏

  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。

代码：

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);
};
int main()
{
B bb;
bb.fun(10);
bb.fun();
return 0;
}

  基类A与派生类B中都有fun函数，只不过基类中的没有参数，派生类中的有参，我们直接调用午无参的基类fun函数会报错，因为他也将基类中的同名函数隐藏了

  我们只能使用域作用符：：来调用基类中的fun函数

四、派生类中的默认构造函数 

  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。

  基类中有_name成员，但是并没有默认构造函数，那我们就需要显式调用：

 总结：

  • 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。
  • 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。 

五、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
{
protected:
int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << p._name << endl;
cout << s._stuNum << endl;
}
int main()
{
return 0;
}

  比如上面代码里，Display是基类的友元函数，但不是派生类的，我们在Student类里使用这个Display函数，我们可以直接访问基类里的成员_name，但是不可以访问派生类里的_stuNum成员

六、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 。

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;
}
int main()
{
TestPerson();
return 0;
}

在上述代码中，count是基类中的静态变量，基类中的静态变量有两个特点：

  • count静态成员只有一份，公用的
  • 基类静态成员属于当前类，也属于当前类的所有派生类

运行结果：

每次创建对象，都会在基类中的构造函数里面对count进行++ 

我们看一下count的地址：

我们发现，无论在基类还是派生类里，count的地址都是同一个，也说明了它是共用的 

七、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。

1、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。 

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";
}

  在上述代码里：我们如果直接去访问_name成员，那我们根本不知道自己访问的是哪个基类里面的，就需要我们用域作用符来指定访问

  虽然上述解决了二义性问题，但是数据冗余并没有解决

  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";
}

  我们提到过virtual这个关键字，它有很多不同的作用，但是在这里启到了虚拟继承的作用，我们在继承基类的时候加上virtual这个关键字就可以就觉菱形继承的问题 

  2、虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

class
{
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::_a = 1;
 d.C::_a = 2;
 d._b = 3;
 d._c = 4;
 d._d = 5;
 return 0;
}

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。 

我们看一下，B的虚基表中存放的偏移量是20，C的虚基表中存放的偏移量是12，我们把B的地址加上偏移量20，就会等于A的地址，把C的偏移量加上12，也等于A的地址。

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：

八、继承的总结和反思 

1. 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。

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

3. 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。

原文地址：https://blog.csdn.net/2302_76267737/article/details/142341697

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