C++学习之路，从0到精通的征途：继承

目录

一.继承的概念及定义

1.继承的概念

2.继承的定义

(1)继承的定义格式

(2)继承基类成员访问方式的变化

二.基类与派生类间的转换

1.派生类对象赋值给基类的引用/指针

2. 派生类对象直接赋值给基类对象

三.继承的作用域

四.派生类的默认成员函数

1.构造函数

2.拷贝构造函数

3.赋值重载 

4.析构函数

基类与派生类的行为总结：

​编辑实现一个不能被继承的类

五.继承与友元

六.继承与静态成员

七.多继承与菱形继承问题

1.继承模型

2.虚继承

八.继承与组合

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一.继承的概念及定义

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。

        举例：

        如果一个人具有名字，性别，年龄等属性，我们将这个集合定义为Person类，当我们还想要定义一个Student类时，由于Student与Person属于“has-a”的关系，即除了Student自身的特性外，其也具有Person的所有特性时，我们可以将Student定义为Person的派生类，即Student类继承Person类，在理解上，可以认为Student就是一个Person。

2.继承的定义

(1)继承的定义格式

        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：

        举例：

class Person
{
public:// 进入校园/图书馆/实验室刷二维码等身份认证void identity(){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
};int main()
{Person p;Student s;return 0;
}

        在监视窗口中可以看到Student类继承了Person类的成员变量与成员函数。 

(2)继承基类成员访问方式的变化

        三种继承方式与三种访问限定符对应着9种访问方式：

类成员/继承方式	public继承	protected继承	private继承
基类的public成员	派生类的public成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的private成员	在派生类种不可见	在派生类种不可见	在派生类种不可见

<1>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。

<2>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。

<3>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。

<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。

<5>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.基类与派生类间的转换

1.派生类对象赋值给基类的引用/指针

        public继承的派生类对象可以赋值给基类的指针/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。

class Person
{
protected: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;// 派生类对象可以赋值给基类的指针/引用Person* pp = &sobj;Person& rp = sobj;return 0;
}

2. 派生类对象直接赋值给基类对象

        这里是基类的赋值重载实现的，本质还是进行了切片，但是基类对象不能赋值给派生类对象。

Person pobj = sobj;

三.继承的作用域

<1>在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。

<2>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::基类成员显式访问）

class Person
{
protected:string _name = "⼩李"; // 姓名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; // 显式访问cout << " 学号:" << _num << endl; // 构成隐藏}
protected:int _num = 999; // 学号
};int main()
{Student s1;s1.Print();return 0;
};

<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。

class A
{
public:void fun(){cout << "func()" << endl;}
};class B : public A
{
public:void fun(int i){cout << "func(int i)" << i << endl;}
};int main()
{B b;b.fun(10); // 调用fun(int i)//b.fun(); // 基类与派生类的函数名相同，fun构成隐藏，由于没有传参，直接报错return 0;
};

<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。

四.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？

1.构造函数

        在初始化属于基类的那一部分成员时，可以将所属于基类的成员整体当作一个自定义类型，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式调用。

class Person
{
public:Person(const char* name = "peter"): _name(name){cout << "Person()" << endl;}
protected:string _name; // 姓名
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int num): Person(name), _num(num){cout << "Student()" << endl;}
protected:int _num; //学号
};int main()
{Student s1("jack", 18);return 0;
}

        同时在监视窗口中也可以看到派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。 

        派生类对象构造顺序：

基类成员 > 派生类成员

2.拷贝构造函数

        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。

class Person
{
public:Person(const char* name = "peter"): _name(name){cout << "Person()" << endl;}Person(const Person& p): _name(p._name){cout << "Person(const Person& p)" << endl;}
protected:string _name; // 姓名
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int num): Person(name), _num(num){cout << "Student()" << endl;}Student(const Student& s): Person(s) // 切片，调用基类的拷贝构造, _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}
protected:int _num; //学号
};int main()
{Student s1("jack", 18);Student s2(s1);return 0;
}

3.赋值重载 

        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=，所以显式调用基类的operator=，需要指定基类作用域。

class Person
{
public:Person(const char* name = "peter"): _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;}
protected:string _name; // 姓名
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int num): Person(name), _num(num){cout << "Student()" << endl;}Student(const Student& s): Person(s) // 切片，调用基类的拷贝构造, _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}Student& operator=(const Student& s){cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;if (this != &s){// 构成隐藏，所以需要显式调用，若不显式调用则会调用派生类的复制重载，形成死递归Person::operator=(s); // 赋值所属基类的一部分_num = s._num;}return *this;}
protected:int _num; //学号
};int main()
{Student s1("jack", 18);Student s2(s1);Student s3("rose", 17);s1 = s3;return 0;
}

4.析构函数

        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。

        派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。

class Person
{
public:Person(const char* name = "peter"): _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:Student(const char* name, int num): Person(name), _num(num){cout << "Student()" << endl;}Student(const Student& s): Person(s), _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}Student& operator = (const Student& s){cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;if (this != &s){// 构成隐藏，所以需要显⽰调⽤Person::operator =(s);_num = s._num;}return *this;}~Student(){cout << "~Student()" << endl;}// 自动调用基类的析构函数
protected:int _num; //学号
};int main()
{Student s1("jack", 18);return 0;
}

        在输出中可以看到，在派生类的析构函数执行完后会自动调用基类的析构函数，所以在派生类的析构函数中不需要再对基类的那一部分资源进行析构，否则会导致同一块资源二次释放，只需要释放派生类自己申请的资源即可。 

派生类对象析构顺序：

派生类成员 > 基类成员

基类与派生类的行为总结：

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，派生类看不见就不能调用了，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。

// C++11的方法
class Base final
{
public:void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:int a = 1;
private:// C++98的方法/*Base(){}*/
};class Derive :public Base
{void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:int b = 2;
};int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

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派生类私有和保护成员 。

class Student; // 前置声明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()
{Person p;Student s;// 编译报错：error C2248: “Student::_stuNum”: 无法访问 protected 成员// 解决方案：Display也变成Student 的友元即可Display(p, s);return 0;
}

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。无论派生出多少个派生类，都只有一个static成员实例。

class Person
{
public:string _name;static int _count; // 在类内声明
};// 在类外定义
int Person::_count = 0;class Student : public Person
{
protected:int _stuNum;
};int main()
{Person p;Student s;// 这里的运行结果可以看到非静态成员_name的地址是不⼀样的// 说明派生类继承下来了，父类与派生类对象各有⼀份cout << &p._name << endl;cout << &s._name << endl;// 这里的运行结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的// 说明派生类和基类共用同一份静态成员cout << &p._count << endl;cout << &s._count << endl;// 公有的情况下，⽗派生类指定类域都可以访问静态成员cout << Person::_count << endl;cout << Student::_count << endl;return 0;
}

七.多继承与菱形继承问题

1.继承模型

<1>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。

<2>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。

<3>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，所以实践中也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。

 

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()
{// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确Assistant a;a._name = "peter";// 需要显式指定访问哪个基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";return 0;
}

         那么如何让解决菱形继承中存在的数据冗余二义性的问题呢，这里可以通过虚继承来进行解决。

2.虚继承

        实现虚继承的方式就是在派生类的继承方式前加一个关键字virtual。

class Person
{
public:string _name; // 姓名/*int _tel;int _age;string _gender;string _address;*/// ...
};// 使用虚继承Person类
class Student : virtual public Person
{
protected:int _num; //学号
};// 使用虚继承Person类
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
};int main()
{// 使用虚继承，可以解决数据冗余和二义性Assistant a;a._name = "peter";return 0;
}

八.继承与组合

<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。

<3>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关系很强，耦合度高。

<4>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。

<5>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。

// Tire(轮胎)和Car(车)更符合has-a的关系
class Tire {
protected:string _brand = "Michelin"; // 品牌size_t _size = 17; // 尺寸
};class Car {
protected:string _colour = "白色"; // 颜色string _num = "ABIT00"; // 车牌号Tire _t1; // 轮胎Tire _t2; // 轮胎Tire _t3; // 轮胎Tire _t4; // 轮胎
};class BMW : public Car {
public:void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class Benz : public Car {
public:void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};template<class T>
class vector
{};// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class stack : public vector<T>
{};template<class T>
class stack
{
public:vector<T> _v;
};int main()
{return 0;
}