C++——继承

目录

前言

1. 继承的概念和定义

1.1 继承的概念

1.2 继承的定义

1.2.1 定义格式

1.2.2 继承基类成员访问方式的变化 

1.3 继承类模板

2. 基类和派生类之间的转换 

3. 继承中的作用域

3.1 隐藏规则

3.2 考察继承作用域相关选择题

4. 派生类的默认成员函数

4.1 4个常见默认成员函数

4.2 实现⼀个不能被继承的类 

5. 继承和友元

6. 继承与静态成员 

7. 多继承及其菱形继承问题

7.1 继承模型

7.2 虚继承

7.3 多继承指针的偏移问题 

8. 继承和组合

9. 总结

前言

我们知道面向对象的编程语言有三大特性，即封装、继承、多态；C++便属于面向对象的编程语言，今天我们就来介绍C++中的继承特性，如果你对C++感兴趣，欢迎继续阅读，下面进入正文部分。

1. 继承的概念和定义

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，称为派生类。

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，而继承便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。当然它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。

class Student
{
public:// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 void identity(){// ...}// 学习 void study(){// ...}
protected:string _name = "peter"; // 姓名 string _address; // 地址 string _tel; // 电话 int _age = 18; // 年龄 int _stuid; // 学号 
};
class Teacher
{
public:// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 void identity(){// ...}// 授课 void teaching(){//...}
protected:string _name = "张三"; // 姓名 int _age = 18; // 年龄 string _address; // 地址 string _tel; // 电话 string _title; // 职称 
};
int main()
{return 0;
}

下面我们公共的成员都放到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。

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 
};
class Teacher : public Person
{
public:// 授课 void teaching(){//...}
protected:string title; // 职称 
};
int main()
{Student s;Teacher t;s.identity();t.identity();return 0;
}

void identity()张三
void identity()张三

C:\code\test_c\test_12_18\x64\Debug\test_12_18.exe (进程 26020)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

大家可以看到，在子类中没有_name这个成员变量，也没有identity这个函数，但是编译成功了，我们可以访问它们，这就是继承的妙处。

1.2 继承的定义

1.2.1 定义格式

我们看到Person是基类，也称作父类。Student是派生类，也称作子类。

 

1.2.2 继承基类成员访问方式的变化 

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。

既然不能直接访问，那么我们可不可以间接访问呢？

答案是可以的，大家来看下面的代码

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;cout << _age << endl;}
protected:string _name = "张三"; // 姓名 string _address; // 地址 string _tel; // 电话 
private:int _age = 18; // 年龄 
};
class Student : public Person
{
public:// 学习 void study(){//cout << _age << endl;// ...}
protected:int _stuid; // 学号 
};
class Teacher : public Person
{
public:// 授课 void teaching(){//...}
protected:string title; // 职称 
};
int main()
{Student s;Teacher t;s.identity();t.identity();return 0;
}

void identity()张三
18
void identity()张三
18

C:\code\test_c\test_12_18\x64\Debug\test_12_18.exe (进程 28820)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

 父类的private成员在子类中不可访问，但是在父类自己中当然可以访问，这里我们调用identity函数的时候，就会间接地访问到_age。

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。

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。

1.3 继承类模板

namespace bit
{template<class T>class stack : public std::vector<T>{public:void push(const T& x){// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域， // 否则编译报错:error C3861: “push_back”: 找不到标识符// 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了 // 但是模版是按需实例化，push_back等成员函数未实例化，所以找不到 vector<T>::push_back(x);//push_back(x);}void pop(){vector<T>::pop_back();}const T& top(){return vector<T>::back();}bool empty(){return vector<T>::empty();}};
}
int main()
{bit::stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}return 0;
}

3 2 1
C:\code\test_c\test_12_18\x64\Debug\test_12_18.exe (进程 26512)已退出，代码为 0 (0x0)。
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这里我们继承了vector，其实我们还可以继承list、deque，大家来看下面的代码；

//#define CONTAINER std::vector
#define CONTAINER std::list
//#define CONTAINER std::deque
namespace bit
{template<class T>class stack : public CONTAINER<T>{public:void push(const T& x){// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域， // 否则编译报错:error C3861: “push_back”: 找不到标识符// 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了 // 但是模版是按需实例化，push_back等成员函数未实例化，所以找不到 CONTAINER<T>::push_back(x);//push_back(x);}void pop(){CONTAINER<T>::pop_back();}const T& top(){return CONTAINER<T>::back();}bool empty(){return CONTAINER<T>::empty();}};
}
int main()
{bit::stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}return 0;
}

3 2 1
C:\code\test_c\test_12_18\x64\Debug\test_12_18.exe (进程 26512)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

我们利用宏定义来解决就会非常方便，直接相当于替换上去。

2. 基类和派生类之间的转换 

• public继承的派⽣类对象可以赋值给基类的指针、基类的引用。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。

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;// 1.派⽣类对象可以赋值给基类的指针/引⽤ Person* pp = &sobj;Person& rp = sobj;// 派⽣类对象可以赋值给基类的对象是通过调⽤后⾯会讲解的基类的拷⻉构造完成的 Person pobj = sobj;//2.基类对象不能赋值给派⽣类对象，这⾥会编译报错 //sobj = pobj;Student* ptr = (Student*)pp;Student& ret = (Student&)rp;return 0;
}

这里大家要与类型转换进行区分，这里基类与派生类之间的转换没有产生临时变量，而类型转换会产生临时变量。大家可以看下面的例子。

临时变量具有常性，所以这里不能完成赋值，证明产生了临时变量；而上面派生类对象赋值给基类没有出现编译错误，也就说明并没有产生临时变量。

3. 继承中的作用域

3.1 隐藏规则

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”显示访问）。

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。

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。

// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是⾮常容易混淆 
class Person
{
protected:string _name = "小李子"; // 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;cout << "学号:" << _num << endl;}
protected:int _num = 999; // 学号 
};
int main()
{Student s1;s1.Print();return 0;
};

姓名:小李子
身份证号:111
学号:999

C:\code\test_c\test_12_18\x64\Debug\test_12_18.exe (进程 40548)已退出，代码为 0 (0x0)。
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3.2 考察继承作用域相关选择题

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);b.fun();return 0;
};

大家看到上面的代码，有两道选择题：

首先来看第一题，这道题非常具有迷惑性，很多人会选择A，认为这是函数重载，但是实际上本题选择B；这里大家需要结合上面提到的隐藏规则第三条，函数名只要相同就可以构成隐藏；而且大家还需要明确，函数重载是发生在同一作用域中的，这里基类和派生类完全是两个独立的作用域，所以并不存在函数重载一说；

关于第二题，有了上面的铺垫，就很容易理解了，这里派生类的func函数会把基类的func隐藏，调用func()时就会发生编译报错：error C2660: “B::fun”: 函数不接受 0 个参数。所以本题选择A

那么我们如果想调用应该怎么做呢？其实指定一下作用域即可；

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);b.A::fun();return 0;
};

这样来写，就不会发生编译报错了。 

4. 派生类的默认成员函数

4.1 4个常见默认成员函数

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 派⽣类对象初始化先调⽤基类构造再调派⽣类构造。

6. 派⽣类对象析构清理先调⽤派⽣类析构再调基类的析构。

7. 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。

简单来说，子类的一系列函数操作，都需要调用父类的来实现，这本质上是一种复用；这里大家需要注意的就是除了析构不需要显示调用父类的，其他3个都需要显示调用父类的，一般来说，子类的构造函数是需要我们自己实现的。

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;}//严格来说Student默认生成的拷贝构造已经够用了//如果有显示释放的资源，才需要自己实现Student(const Student& s): Person(s), _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}//严格来说Student默认生成的赋值重载已经够用了//如果有显示释放的资源，才需要自己实现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;}//严格来说Student默认生成的析构已经够用了//如果有显示释放的资源，才需要自己实现//析构函数都会被特殊处理成destructor()~Student(){//子类的析构与父类的析构构成隐藏关系//不需要显示调用父类的析构，以免出现重复析构，子类函数析构后，会自动调用父类的析构//析构顺序：先子后父cout << "~Student()" << endl;}
protected:int _num; //学号 
};
int main()
{Student s1("jack", 18);Student s2(s1);Student s3("rose", 17);s1 = s3;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。

// 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;
}

这里加了final就会发生报错：error C3246: "Derive": 无法从 "Base" 继承，因为它已声明为 "final" 

两种方法都可以实现，C++11的方法更加明显，无论我们是否定义变量，这里都会直接报错。

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。

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
{//friend void Display(const Person& p, const Student& s);
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;
}

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 = 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;cout << p._count << endl;cout << s._count << endl;return 0;
}

0000000BA650F6D8
0000000BA650F718
00007FF6A58914C4
00007FF6A58914C4
0
0
0
0

C:\code\test_c\test_12_19\x64\Debug\test_12_19.exe (进程 27340)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

这里大家可以看到，_count的地址的一样的，说明它们是同一个_count。

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。

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";// 需要显⽰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;
}

上面的代码就是一个典型的菱形继承，这里的_name就会出现二义性，编译器不知道该访问哪个。

那么我们怎么才能解决这个问题呢？大家请继续看下面的内容。

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。

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，⽆论是使⽤还是底层 都会复杂很多。当然有多继承语法⽀持，就⼀定存在会设计出菱形继承，像Java是不⽀持多继承的， 就避开了菱形继承。

​
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 
};
int main()
{Assistant a;a._name = "peter";a.Student::_name = "xxx";a.Teacher::_name = "yyy";return 0;
}​

我们加上virtual，这里就解决了二义性和冗余的问题。

这里有个小问题，大家可以来看一下：

当出现这样一个模型的时候，首先这也是一个菱形继承，那么我们的virtual应该加在哪里呢？答案是B、C处；这里大家记住一个原则，哪里产生了数据冗余，哪里就加virtual，上图中B和C都继承了A的数据，相当于A冗余了，那么就要在B和C处加上virtual形成虚继承。 

7.3 多继承指针的偏移问题 

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;
}

 下列说法正确的是？

 这里我们来分析一下三个指针的指向：

p2就是所说的偏移指针，大家需要注意一点：先继承的在前面；根据上图可知本题选择C，我们也可以运行一下程序来进行验证。

000000480958FC68
000000480958FC6C
000000480958FC68

C:\code\test_c\test_12_19\x64\Debug\test_12_19.exe (进程 22108)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

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。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。

• 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。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， 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。

• 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。

9. 总结

本篇博客为大家介绍了继承的内容，大家会发现，里面很多内容都与我们前面学过的类和对象的内容相关，这里我们需要前后结合着来理解，了解它们之间的关联，在实际运用中，继承的运用场景很多，所以大家需要掌握好继承的相关内容，最后，希望本篇博客可以为大家带来帮助，感谢阅读！