【C++进阶】第一节：继承

1、继承的概念及定义

1.1 继承的概念

继承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。

class Person
{
public:void Print(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}
protected:string _name = "yf";int _age = 20;
};class Student : public Person
{
protected:int _stuid;
};class Teacher : public Person
{
protected:int _jobid;
};int main()
{Student s;Teacher t;s.Print();t.Print();return 0;
}

1.2 继承定义

1.2.1 定义格式

下面我们看到 Person 是母类，也称作基类。Student 是女类，也称作派生类。

1.2.2 继承关系和访问限定符

1.2.3 继承基类成员访问方式的变化

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见。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，不过最好显式的写出继承方式。
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。

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
基类对象不能赋值给派生类对象

复习一下之前的内容：

class Person
{
protected:string _name;string _sex;int _age;
};class Student : public Person
{
public:int _No;
};int main()
{Student s;Person p = s;Person& rp = s;return 0;
}

public 继承时，派生类和基类是一个is-a的关系，派生类对象赋值给基类对象/指针/引用，中间不产生临时对象，这个叫做母女类赋值兼容规则（切割/切片）

class Person
{
protected:string _name;string _sex;int _age;
};class Student : public Person
{
public:int _No;
};void Test()
{Student sobj;// 1. 派生类对象可以赋值给基类对象/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;// 这里pp实际上指向一个Student类型的对象，因此将pp强制转换为Student*是安全的，可以正常访问 ps1->_Nops1->_No = 10;pp = &pobj;Student* ps2 = (Student*)pp;// 这里的pp指向一个Person类型的对象，而不是Student。尽管编译器允许这种强制类型转换，但pp并不真正指向Student对象。因此，尝试通过ps2访问_No会导致越界访问，因为pobj的内存布局中并不存在_No成员，这是未定义的行为//ps2->_No = 10;
}

3、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。
基类和派生类中有同名成员，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，也叫重定义。（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。
注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:string _name = "yf";int _num = 111; // 身份证号
};class Student : public Person
{
public:void Print(){cout << "姓名: " << _name << endl;cout << "身份证号: " << Person::_num << endl;cout << "学号: " << _num << endl;}
protected:int _num = 999; // 学号
};void Test()
{Student s;s.Print();
}

// B中的func和A中的func不是构成重载，因为不是在同一作用域
// B中的func和A中的func构成隐藏，成员函数满足函数名相同就构成隐藏
class A
{
public:void func(){cout << "func()" << endl;}
};class B : public A
{
public:void func(int i){A::func();cout << "func(int i)->" << i << endl;}
};void Test()
{B b;b.func(10);b.A::func();
}

4、派生类的默认成员函数

6个默认成员函数，“默认”的意思就是指我们不写，编译器会为我们自动生成一个，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。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成 destrutor()，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。

class Person
{
public:Person(const char* name = "yf"):_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;
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int num):Person(name), _num(num){cout << "Student(const char* name, int num)" << endl;}Student(const Student& s): Person(s) // 切割, _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}Student& operator=(const Student& s){cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;if (this != &s){// 两个赋值函数构成隐藏关系Person::operator=(s); // 如果没有Person::，则会栈溢出_num = s._num;}return *this;}// 由于多态的原因，析构函数会被统一处理成destrutor()// 所以两个析构函数构成隐藏关系~Student(){//Person::~Person(); // 不加注释会导致基类析构两次// 构造调用先基类再派生类，析构调用先派生类再基类// 基类析构函数不需要显示调用，派生类析构函数结束时会自动调用基类析构cout << "~Student()" << endl;}
protected:int _num; //学号
};void Test()
{Student s1("jack", 18);Student s2(s1);Student s3("rose", 17);s1 = s3;
}

5、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派生类私有和保护成员

class Student;
class Person
{
public:// 这里用到了Student这个类型，要有最上面的前置声明friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name;
};class Student : public Person
{
public:// 如果不加友元声明，Display不能直接访问Student类的保护成员friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:int _stuNum;
};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。无论派生出多少个子类，都只有一个 static 成员实例。

class Person
{
public:Person(){++_count;}
protected:string _name;
public:static int _count;
};// 静态成员变量在类外初始化
int Person::_count = 0;class Student : public Person
{
protected:int _stuNum;
};void Test()
{Student s1;Student s2;Student s3;cout << "人数: " << Person::_count << endl;// Student和Person的_count是同一个Student::_count = 0;cout << "人数: " << Person::_count << endl;
}

7、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

单继承：一个女类只有一个直接母类时称这个继承关系为单继承

多继承：一个女类有两个或以上直接母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。

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;
};void Test()
{Assistant a;// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个//a._name = "peter";// 需要显示指定访问哪个母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。

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;
};void Test()
{Assistant a;a._name = "peter";
}

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

class A
{
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。

下面是上面的 Person 关系菱形虚拟继承的原理解释：

8、继承的总结和反思

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。所以一定不要设计出菱形继承，否则在复杂度及性能上都有问题。

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。

class A
{
public:void func(){}
protected:int _a;
};class B : public A
{
public:void f(){// 基类的公有和保护成员都可以使用func();_a++;}
protected:int _b;
};class C
{
public:void func(){}
protected:int _c;
};class D
{
public:void f(){// 组合类的公有可以使用，保护不可以_c.func();//_c._c++;}
protected:C _c;int _d;
};int main()
{cout << sizeof(B) << endl;cout << sizeof(D) << endl;D dd;// D对象不能直接调用func//dd.func();B bb;bb.func();return 0;
}