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C++继承（下）

news 来源：原创 2025/5/1 8:22:24

目录

一、继承与友元

二、继承与静态成员

三、菱形继承及菱形虚拟继承

1. 继承的方式

2. 菱形继承的问题 

3. 菱形虚拟继承 

4. 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

4.1 普通菱形继承的内存布局

4.2 虚拟继承的内存布局

四、继承的总结和反思

1. 多继承的复杂性

2. 继承与组合

2.1 继承（is-a关系）

2.2 组合（has-a关系）

3. 优先使用组合

4. 小结

五、笔试面试题解析

1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性？

3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

一、继承与友元

        友元关系不能被继承。也就是说，基类中声明的友元函数或友元类不能访问派生类的私有或保护成员。因为友元关系是类之间的一种特殊访问权限约定，它不具备继承性，派生类并不会自动继承基类的友元所拥有的特殊访问权。

        在下面代码中，Display 函数是 Person 类的友元，因此它可以访问 Person 类的保护成员 _name。然而，Display 函数并不是 Student 类的友元，因此它不能访问 Student 类的保护成员 _stuNum。这表明友元关系不具备继承性，派生类不会自动继承基类的友元声明。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s); // 声明友元函数
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; // 可以访问，因为Display是Person的友元cout << s._stuNum << endl; // 编译错误，Display不是Student的友元
}void main()
{Person p;Student s;Display(p, s);
}

        若想让 Display 函数能够访问派生类 Student 的私有或保护成员，需要在 Student 类中显式地声明 Display 函数为友元： 

class Student : public Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s); // 声明Display是Student的友元
protected:int _stuNum;
};

二、继承与静态成员

        基类中定义的静态成员在整个继承体系中是共享的，无论派生出多少个子类，都只有一个该静态成员的实例。静态成员属于类而非某个具体对象，所以在继承体系中，所有类和对象都共用这一个静态成员，对它的访问和修改会影响整个继承体系中的所有相关部分。

        在基类Person中定义了一个静态成员变量_count，用于统计实例化的对象数量：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Person
{
public:Person() { ++_count; } // 构造函数中自增_count
protected:string _name; // 姓名
public:static int _count; // 静态成员变量，统计人的个数
};int Person::_count = 0; // 静态成员变量在类外初始化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; // 输出创建的对象数量Student::_count = 0; // 通过Student类修改_count的值cout << "人数 : " << Person::_count << endl; // 输出修改后的值
}int main()
{TestPerson();return 0;
}

        在上述代码中，无论创建多少个Student或Graduate对象，Person::_count始终是一个实例。这是因为静态成员变量属于类本身，而不是类的某个特定对象。我们可以通过打印Person类和Student类中静态成员_count的地址来证明它们是同一个变量： 

cout << &Person::_count << endl; // 输出Person类中_count的地址
cout << &Student::_count << endl; // 输出Student类中_count的地址

三、菱形继承及菱形虚拟继承

1. 继承的方式

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 

2. 菱形继承的问题 

        在多继承情况下，若一个类有两个或以上基类，而这些基类又有一个共同的基类，就可能形成菱形继承。这种情况下容易出现数据冗余（同一个基类被多次继承，导致其成员在派生类对象中重复出现）和二义性（访问共同基类的成员时，编译器无法确定具体访问哪一个基类路径中的成员）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()
{Assistant a;// 这里会报错：二义性成员访问，因为 Assistant 同时从 Student 和 Teacher 继承了 _namea._name = "peter";
}

        通过显式指定父类可以解除二义性，但会导致数据冗余（每个父类都有自己的 _name 成员）。

a.Student::_name = "xxx";
a.Teacher::_name = "yyy"; 

3. 菱形虚拟继承 

        为了解决菱形继承的二义性和数据冗余问题，出现了虚拟继承。通过将继承方式改为虚拟继承，可以让派生类共享同一个基类的实例，从而解决数据冗余和二义性问题。在虚拟继承中，编译器会采用特殊的机制，如虚基表和虚基表指针，来确保基类在内存中只出现一次，并且正确地解析对基类成员的访问路径。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Person
{
public:string _name; //姓名
};class Student : virtual public Person //虚拟继承
{
protected:int _num; //学号
};class Teacher : virtual public Person //虚拟继承
{
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"; //不再二义性cout << a.Student::_name << endl; // 输出 "peter"cout << a.Teacher::_name << endl; // 输出 "peter"cout << &a.Student::_name << endl; // 地址相同cout << &a.Teacher::_name << endl; // 地址相同return 0;
}

4. 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

        为了研究虚拟继承原理，我们写一个简化的菱形继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型。 

4.1 普通菱形继承的内存布局

#include <iostream>
using namespace std;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;
}

在普通菱形继承中，类D对象的内存布局如下：

  • 首先是类B继承自类A的部分，包含 _a（来自A）和 _b。

  • 然后是类C继承自类A的部分，再次包含 _a（来自A）和 _c。

  • 最后是类D自己的成员 _d。

这种布局导致了两个_a成员的存在。

4.2 虚拟继承的内存布局

#include <iostream>
using namespace std;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;
}

使用虚拟继承后，类D对象的内存布局调整为：

  • 类B和类C各自包含一个虚基表指针（vbptr），这些指针指向虚基表（vbtbl）。

  • 虚基表中存储了从类B和类C到共享类A实例的偏移量。

  • 类D对象中只包含一份类A的成员 _a，并且这个_a被放置在内存布局的最后。

        这里可以分析出D对象中将A放到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。

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释： 

四、继承的总结和反思

1. 多继承的复杂性

        很多人觉得C++语法复杂，多继承就是一个典型例子。多继承引入后，很容易形成菱形继承结构，而菱形继承又需要通过虚拟继承来解决数据冗余和二义性问题。这些机制在底层实现上非常复杂。因此，一般不建议设计多继承结构，尤其是菱形继承。它不仅会增加代码的复杂度，还可能对性能产生负面影响。

2. 继承与组合

        在面向对象编程中，继承和组合是两种重要的复用机制。它们各有特点，适用于不同的场景。

2.1 继承（is-a关系）

        继承体现的是“is-a”的关系。例如，BMW继承自Car，因为BMW是一种汽车。通过继承，BMW类可以复用Car类的功能和属性。然而，继承也被称为“白箱复用”，因为基类的内部实现对子类是可见的。这种高可见性意味着基类的任何修改都可能影响到所有子类，导致子类和基类之间的耦合度很高。

class Car 
{
protected:string _colour = "白色"; // 颜色string _num = "甘EBIT00"; // 车牌号
};class BMW : public Car 
{
public:void Drive() {cout << "好开-操控" << endl;}
};

2.2 组合（has-a关系）

        组合体现的是“has-a”的关系。例如，Car类组合了Tire类，因为汽车有一个或多个轮胎。组合被称为“黑箱复用”，因为被组合对象的内部实现对组合类是不可见的。这种方式耦合度低，组合类之间的依赖关系较弱。

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 = "甘EBIT00"; // 车牌号Tire _t; // 组合的轮胎对象
};

3. 优先使用组合

        尽管继承在某些场景下非常有用，但在实际开发中，我们应优先使用组合。组合的低耦合特性使得代码更易于维护和扩展。继承则更适合用于那些具有明确“is-a”关系的场景，或者当需要实现多态性时。

4. 小结

  • 继承：适合“is-a”关系，复用基类实现，但耦合度高。

  • 组合：适合“has-a”关系，通过组合对象实现功能，耦合度低。

五、笔试面试题解析

1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

菱形继承：

        菱形继承是一种多继承的特殊情况，其类层次结构形如菱形。具体来说，一个基类派生出两个或多个子类，然后另一个类又同时继承自这两个子类。例如：

class A {};
class B : public A {};
class C : public A {};
class D : public B, public C {};

        在这里，类 D 同时继承自类 B 和类 C，而类 B 和类 C 又都继承自类 A，从而形成了菱形的继承结构。

主要问题：

  1. 数据冗余：由于多继承路径，基类 A 的成员在派生类 D 中会存在多个副本（每个继承路径各一份）。这不仅浪费内存空间，还可能导致数据不一致的问题。

  2. 二义性：在访问基类 A 的成员时，编译器无法确定应该通过哪条继承路径（B 或 C）来访问该成员，从而引发编译错误。例如

    D d;
d.a_member = 1; // 错误：无法确定是通过 B 还是 C 访问 a_member

2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性？

菱形虚拟继承：

        菱形虚拟继承是一种通过使用 virtual 关键字来解决菱形继承问题的机制。具体来说，在继承基类时使用 virtual 关键字，可以让所有派生类共享同一个基类实例。例如：

class A {};
class B : virtual public A {}; // 虚拟继承
class C : virtual public A {}; // 虚拟继承
class D : public B, public C {};

解决数据冗余和二义性的原理：

  1. 共享基类实例：虚拟继承确保在派生类 D 中，基类 A 的成员只存在一个副本。这样就消除了数据冗余。

  2. 消除二义性：通过共享同一个基类实例，访问基类成员时不再需要指定继承路径，编译器可以明确地找到唯一的成员实例。例如

    D d;
d.a_member = 1; // 正确：直接访问共享的 a_member

内存布局的变化：

        使用虚拟继承后，派生类 B 和 C 中会包含虚基表指针（vbptr），这些指针指向虚基表（vbtbl），而虚基表中存储了从派生类到共享基类的偏移量。这样，派生类 D 对象中只包含一份基类 A 的成员，并且可以通过虚基表指针找到该成员。

3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

继承（is-a关系）：

  • 特点：派生类是基类的特化（如“猫是动物”），可复用基类接口并扩展功能。

  • 适用场景：

    • 需要实现多态（如虚函数）。

    • 明确逻辑上的层次关系（如GUI控件继承自基类Widget）。

  • 缺点：高耦合性，基类修改可能影响所有派生类。

组合（has-a关系）：

  • 特点：类通过包含其他类的对象实现功能复用（如“汽车包含引擎”）。

  • 适用场景：

    • 需要复用功能但无需继承接口（如Stack类组合vector实现存储）。

    • 降低耦合，提升代码灵活性（组合类可替换成员对象实现不同功能）。

  • 优点：封装性好，维护成本低。

选择原则：

  • 优先组合：除非需要多态或明确的层次关系，否则优先使用组合。

  • 谨慎继承：避免复杂的继承链，尤其是菱形继承，尽量使用虚继承解决冗余问题。

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