柚子快報邀請碼778899分享：開發(fā)語言 C++——繼承
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?專欄導(dǎo)讀?文章導(dǎo)讀?繼承的定義方式?繼承方式與訪問限定符?基類和派生類對象賦值轉(zhuǎn)換?繼承中的作用域?派生類的默認(rèn)成員函數(shù)?繼承與友元?繼承與靜態(tài)成員?復(fù)雜的菱形繼承及菱形虛擬繼承?菱形繼承所引發(fā)的問題?二義性?數(shù)據(jù)冗余
?虛擬繼承解決二義性與數(shù)據(jù)冗余?原理?菱形繼承下的對象模型?菱形虛擬繼承
?繼承的總結(jié)和反思
?專欄導(dǎo)讀
?作者簡介：花想云，目前大二在讀 ，C/C++領(lǐng)域新星創(chuàng)作者、運(yùn)維領(lǐng)域新星創(chuàng)作者、CSDN2023新星計劃導(dǎo)師、CSDN內(nèi)容合伙人、阿里云專家博主、華為云云享專家致力于 C/C++、Linux 學(xué)習(xí)
?本文收錄于 C++系列，本專欄主要內(nèi)容為 C++ 初階、C++ 進(jìn)階、STL 詳解等，專為大學(xué)生打造全套 C++ 學(xué)習(xí)教程，持續(xù)更新！
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?文章導(dǎo)讀
本章我們將學(xué)習(xí)C++三大特性之一的繼承。繼承作為C++最重要的特性之一，意味著其難度也是相當(dāng)高的。且繼承同樣為C++另一大特性——多態(tài)的重要基石，非常值得我們深入學(xué)習(xí)~
在C++中，既然將之取名為繼承，自然是因為與現(xiàn)實中的繼承有某些相似的地方。
繼承(inheritance)機(jī)制是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計使代碼可以復(fù)用的最重要的手段，它允許程序員在保持原有類特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加功能，從而產(chǎn)生一個新的類，稱之派生類。
繼承呈現(xiàn)了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的層次結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了由簡單到復(fù)雜的認(rèn)知過程。以前我們接觸的復(fù)用都是函數(shù)復(fù)用，繼承是類設(shè)計層次的復(fù)用。
?繼承的定義方式
// 基類（父類）
class Person
{
public:
void test()
{
cout << "Person" << endl;
}
protected:
string _name; // 名字
};
// 派生類（子類）
class Student : public Person
{
private:
int _stuid; // 學(xué)號
};
·
如上述代碼所示，
我們稱之為Student類繼承了Person類；Person類稱作基類或父類；Student類稱作派生類或者子類；public為一種繼承方式；
當(dāng)子類繼承父類之后，父類Person的成員（成員函數(shù)+成員變量）都會變成子類的一部分。例如，當(dāng)我們創(chuàng)建好一個子類對象，并查看對象的成員：
當(dāng)然我們還可以調(diào)用父類Person中的成員函數(shù)：
?繼承方式與訪問限定符
在學(xué)習(xí)類時，我們曾經(jīng)認(rèn)識了 3 個訪問限定符：
public —— 公有訪問protected —— 保護(hù)訪問private —— 私有訪問
在繼承中，這三個關(guān)鍵字同樣可以表示 3 種繼承方式：
public —— 公有繼承protected —— 保護(hù)繼承private —— 私有繼承
雖然這兩組概念中，這 3 個關(guān)鍵字都是相同的，但是所表達(dá)的意義卻不同。繼承方式與訪問限定符(指基類中）共同決定了子類中成員的訪問權(quán)限的上限。我們可以用一張表來展示繼承方式與訪問限定符的不同組合：
基類成員/繼承方式public繼承protected繼承private繼承基類的public成員派生類的public成員派生類的protected成員派生類的private成員基類的protected成員派生類的protected成員派生類的protected成員派生類的private成員基類的private成員在派生類中不可見在派生類中不可見在派生類中不可見
?重要的結(jié)論
基類private成員在派生類中無論以什么方式繼承都是不可見的。這里的不可見是指基類的私有成員還是被繼承到了派生類對象中，但是語法上限制派生類對象不管在類里面還是類外面都不能去訪問它?；恜rivate成員在派生類中是不能被訪問，如果基類成員不想在類外直接被訪問，但需要在派生類中能訪問，就定義為protected?？梢钥闯霰Ｗo(hù)成員限定符是因繼承才出現(xiàn)的。實際上面的表格我們進(jìn)行一下總結(jié)會發(fā)現(xiàn)，基類的私有成員在子類都是不可見?；惖钠渌蓡T在子類的訪問方式 == Min(成員在基類的訪問限定符，繼承方式)，public > protected > private。使用關(guān)鍵字class時默認(rèn)的繼承方式是private，使用struct時默認(rèn)的繼承方式是public，不過最好顯示的寫出繼承方式。在實際運(yùn)用中一般使用都是public繼承，幾乎很少使用protetced/private繼承，也不提倡使用protetced/private繼承，因為protetced/private繼承下來的成員都只能在派生類的類里面使用，實際中擴(kuò)展維護(hù)性不強(qiáng)。
?基類和派生類對象賦值轉(zhuǎn)換
在之前的學(xué)習(xí)中，我們知道一個類型的對象賦值給另一個類型相似的對象時，會發(fā)生隱式類型轉(zhuǎn)換并生成一個中間臨時變量。例如：
double d = 1.1;
int i = d; // 隱式類型轉(zhuǎn)換
在繼承中，子類對象也可以賦值給一個父類對象，但并不會發(fā)生類型轉(zhuǎn)換。有如下注意事項：
派生類對象 可以賦值給 基類的對象 / 基類的指針 / 基類的引用。這里有個形象的說法叫切片或者切割。寓意把派生類中父類那部分切來賦值過去。
class Person
{
public:
void test()
{
cout << "Person" << endl;
}
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
void test()
{}
private:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s;
// 1.子類對象可以賦值給父類對象/指針/引用
Person p = s;
Person* p_str = &s;
Person& p_ref = s;
return 0;
}
基類對象不能賦值給派生類對象。
//2.基類對象不能賦值給派生類對象
//s = p;
基類的指針或者引用可以通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換賦值給派生類的指針或者引用。但是必須是基類的指針是指向派生類對象時才是安全的。
// 3.基類的指針可以通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換賦值給派生類的指針
p_str = &s;
Student* s_ptr1 = (Student*)p_str; // 正確
p_str = &p;
Student* s_ptr1 = (Student*)p_str; // 有越界訪問的危險
?繼承中的作用域
在繼承體系中基類和派生類都有獨立的作用域。我們需要注意以下事項：
子類和父類中有同名成員，子類成員將屏蔽父類對同名成員的直接訪問，這種情況叫隱藏，也叫重定義；
class Person
{
public:
void print()
{
cout << "Person" << endl;
}
protected:
string _name = "person";
};
class Student : public Person
{
public:
void test()
{
cout << _name << endl;
}
private:
string _name = "peter";
int _stuid;
};
int main()
{
Student s;
s.test();
return 0;
}
在子類成員函數(shù)中，可以使用 基類::基類成員 顯示訪問；
class Person
{
public:
void print()
{
cout << "Person" << endl;
}
protected:
string _name = "person";
};
class Student : public Person
{
public:
void test()
{
cout << Person::_name << endl;
}
private:
string _name = "peter";
int _stuid;
};
int main()
{
Student s;
s.test();
return 0;
}
需要注意的是如果是成員函數(shù)的隱藏，只需要函數(shù)名相同就構(gòu)成隱藏（注意區(qū)別隱藏與函數(shù)重載，函數(shù)重載只發(fā)生在同一作用域）；
class Person
{
public:
void print()
{
cout << "In Person" << endl;
}
protected:
string _name = "person";
};
class Student : public Person
{
public:
void print()
{
cout << "In Student" << endl;
}
private:
string _name = "peter";
int _stuid;
};
int main()
{
Student s;
s.print();
return 0;
}
注意在實際中在繼承體系里面最好不要定義同名的成員（易混淆）。
?派生類的默認(rèn)成員函數(shù)
6個默認(rèn)成員函數(shù)，“默認(rèn)”的意思就是指我們不寫，編譯器會變我們自動生成一個，那么在派生類中，這幾個成員函數(shù)是如何生成的呢？
派生類的構(gòu)造函數(shù)必須調(diào)用基類的構(gòu)造函數(shù)初始化基類的那一部分成員。如果基類沒有默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，則必須在派生類構(gòu)造函數(shù)的初始化列表階段顯示調(diào)用。
class Person
{
public:
Person(const string& name)
:_name(name)
{
cout << "Person(const string& name)" << endl;
}
/*Person(const Person& p)
:_name(p._name)
{
cout << "Person(const Person& p)" << endl;
}*/
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
Student(const string name,int id)
:Person(name) // 顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)
, _stuid(id)
{
cout << "Student(const string name,int id)" << endl;
}
/*Student(const Student& s)
:Person(s)
, _stuid(s._stuid)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}*/
private:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s("peter",12345);
return 0;
}
派生類的拷貝構(gòu)造函數(shù)必須調(diào)用基類的拷貝構(gòu)造完成基類的拷貝初始化；
class Person
{
public:
// ...省略之前代碼
Person(const Person& p)
:_name(p._name)
{
cout << "Person(const Person& p)" << endl;
}
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
// ...省略之前代碼
Student(const Student& s)
:Person(s)
, _stuid(s._stuid)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
private:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s1("peter",12345);
Student s2(s1);
return 0;
}
派生類的operator=必須要調(diào)用基類的operator=完成基類的復(fù)制；
class Person
{
public:
// ...省略之前代碼
Person& operator=(const Person& p)
{
cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
if (this != &p)
_name = p._name;
return *this;
}
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
// ...省略之前代碼
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
Person::operator=(s); // 調(diào)用基類的賦值重載
_stuid = s._stuid;
}
cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
return *this;
}
private:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s1("peter",12345);
Student s2("xxxx",0);
s2= s1;
return 0;
}
派生類的析構(gòu)函數(shù)會在被調(diào)用完成后自動調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)清理基類成員。因為這樣才能保證派生類對象先清理派生類成員再清理基類成員的順序。
class Person
{
public:
// ...省略之前代碼
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
// ...省略之前代碼
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
private:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s1("peter",12345);
return 0;
}
派生類對象初始化先調(diào)用基類構(gòu)造再調(diào)派生類構(gòu)造； 派生類對象析構(gòu)清理先調(diào)用派生類析構(gòu)再調(diào)基類的析構(gòu)；
?繼承與友元
友元關(guān)系是不能繼承的，基類友元不能訪問子類私有和保護(hù)成員（父親的朋友不一定是我的朋友）。
?繼承與靜態(tài)成員
基類定義了static靜態(tài)成員，則整個繼承體系里面只有一個這樣的成員。無論派生出多少個子類，都只有一個static成員實例；
// 統(tǒng)計一個創(chuàng)建了多少個子類對象
class Person
{
public:
static int count;
protected:
string _name;
};
int Person::count = 0;
class Student : public Person
{
public:
Student()
{
count++;
}
private:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s1;
Student s2;
Student s3;
Student s4;
Student s5;
cout << Person::count << endl;
return 0;
}
?復(fù)雜的菱形繼承及菱形虛擬繼承
一個類可以被多個類繼承（有多個兒子），同樣的，一個類也可以繼承多個類（有多個父親）。
單繼承：一個子類只有一個直接父類時稱這個繼承關(guān)系為單繼承；
class Person
{};
class Student : public Person
{};
多繼承：一個子類有兩個或以上直接父類時稱這個繼承關(guān)系為多繼承，多繼承可以類比單繼承，原理類似；
class Teacher
{};
class Student
{};
class Assistant:public Student,public Teacher
{};
菱形繼承：菱形繼承是多繼承的一種特殊情況。當(dāng)派生類繼承的幾個不同的基類擁有一個共同的基類；
class Person
{};
class Teacher :public Person
{};
class Student :public Person
{};
class Assistant:public Student,public Teacher
{};
?菱形繼承所引發(fā)的問題
以下是一種菱形繼承：
class Person
{
public:
string _name;
};
class Teacher :public Person
{
protected:
int _id; // 職工編號
};
class Student :public Person
{
protected:
int _num; //學(xué)號
};
class Assistant :public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; // 主修課程
};
?二義性
當(dāng)我們定義了一個Assistant類型的對象，該對象的成員中包含兩個_name，分別是從Student和Teacher所繼承。
int main()
{
Assistant a;
return 0;
}
當(dāng)我們想要訪問_name成員時，就會出現(xiàn)二義性，編譯器并不知道我們要訪問哪一個_name成員。
cout << a._name << endl;
當(dāng)然，我們可以通過指定類域來訪問：
int main()
{
Assistant a;
cout << a.Student::_name << endl;
cout << a.Teacher::_name << endl;
return 0;
}
?數(shù)據(jù)冗余
數(shù)據(jù)冗余是指，當(dāng)我們創(chuàng)建一個對象時，它的某個屬性（某個成員）只有一個值即可。但是內(nèi)存中卻實實在在的存儲了兩份數(shù)據(jù)，其中有一份數(shù)據(jù)必然是多余的。就如同，現(xiàn)實中一個人可能在不同的環(huán)境中有不同的稱呼，但是，身份證上只有一個名字就夠了。
?虛擬繼承解決二義性與數(shù)據(jù)冗余
C++祖師爺為我們提供了解決菱形繼承問題的當(dāng)法——虛擬繼承。在繼承方式前面加上關(guān)鍵字virtual，如下：
class Person
{
public:
string _name;
};
class Teacher :virtual public Person
{
protected:
int _id; // 職工編號
};
class Student :virtual public Person
{
protected:
int _num; //學(xué)號
};
class Assistant :public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; // 主修課程
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "peter";
return 0;
}
注意此時監(jiān)視窗口雖然依舊看到存在兩個_name，但其實在內(nèi)存中只存在一份數(shù)據(jù)，監(jiān)視窗口是編譯器修飾過的，為了方便我們觀察。
?原理
?菱形繼承下的對象模型
為了便于觀察，我們再來看一組菱形繼承的例子：
class A
{
public:
int _a;
};
class B : public A
{
public:
int _b;
};
class C : 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;
}
打開內(nèi)存窗口，輸入對象d的地址，我們可以粗略的看到對象模型：
注意，此時_a的數(shù)據(jù)有兩份，一份屬于B類，一份屬于C類。再來看看加了虛擬繼承之后的效果；
?菱形虛擬繼承
class A
{
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
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;
}
打開內(nèi)存窗口，輸入對象d的地址，我們可以粗略的看到對象模型：
通過觀察我們可以發(fā)現(xiàn)虛擬繼承與非虛擬繼承的幾個不同點：
虛擬繼承后，_a只會保留一份，占用一份內(nèi)存空間；B和C中好像各自多了一個指針一樣的數(shù)字；
其實，B和C中存放的奇怪?jǐn)?shù)字就是兩個指針，我們叫它們——虛基表指針。這兩個指針分別指向兩張表，稱之為——虛基表。
我們繼續(xù)通過內(nèi)存窗口觀察一下這兩個表中分別存了什么東西吧。
如圖所示，兩張?zhí)摶碇蟹謩e存了兩個數(shù)字——20，12。那么這兩個數(shù)字有何含義呢？它們其實是偏移量——是_a的位置相對于B和C起始地址的偏移量。
下圖是上面的Person關(guān)系菱形虛擬繼承的原理解釋：
?繼承的總結(jié)和反思
由于菱形繼承過于復(fù)雜，且使用場景不多，所以在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)盡量減少使用多繼承；多繼承可以認(rèn)為是C++的缺陷之一，很多后來的OO語言都沒有多繼承，如Java；繼承與組合比較：
public繼承是一種is-a的關(guān)系。也就是說每個派生類對象都是一個基類對象。 組合是一種has-a的關(guān)系。假設(shè)B組合了A，每個B對象中都有一個A對象。 優(yōu)先使用對象組合，而不是類繼承 。 繼承允許你根據(jù)基類的實現(xiàn)來定義派生類的實現(xiàn)。這種通過生成派生類的復(fù)用通常被稱為白箱復(fù)用(white-box reuse)。術(shù)語“白箱”是相對可視性而言：在繼承方式中，基類的內(nèi)部細(xì)節(jié)對子類可見 。繼承一定程度破壞了基類的封裝，基類的改變，對派生類有很大的影響。派生類和基類間的依賴關(guān)系很強(qiáng)，耦合度高。 對象組合是類繼承之外的另一種復(fù)用選擇。新的更復(fù)雜的功能可以通過組裝或組合對象來獲得。對象組合要求被組合的對象具有良好定義的接口。這種復(fù)用風(fēng)格被稱為黑箱復(fù)用(black-box reuse)，因為對象的內(nèi)部細(xì)節(jié)是不可見的。對象只以“黑箱”的形式出現(xiàn)。組合類之間沒有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，耦合度低。優(yōu)先使用對象組合有助于你保持每個類被封裝。 實際盡量多去用組合。組合的耦合度低，代碼維護(hù)性好。不過繼承也有用武之地的有些關(guān)系就適合繼承那就用繼承，另外要實現(xiàn)多態(tài)，也必須要繼承。類之間的關(guān)系可以用繼承，可以用組合，就用組合。
本章的內(nèi)容就到這里了，覺得對你有幫助的話就支持一下博主吧~
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