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C++继承：从生活实例谈面向对象的精髓

news 来源：原创 2025/5/22 10:30:42

引言

继承是面向对象编程三大基本特性（封装、继承、多态）之一，它允许我们基于已有的类创建新类，实现代码的重用和层次化设计。就像人类社会中的"基因传承"，子女会继承父母的特征，同时发展出自己独特的特点。这篇博客将结合实际生活例子，深入浅出地讲解C++继承的核心概念和使用方法。

一、继承的基本概念

继承建立了类之间的父子关系（基类-派生类关系）。派生类自动获得基类的所有成员（成员变量和成员函数），同时可以添加新的成员或者重新定义基类的成员。

生活中的继承例子

想象一下汽车的设计过程：首先有一个基本的"交通工具"类，它具有基本的属性如"速度"、"重量"、"载客量"等，以及基本的方法如"启动"、"停止"、"转向"等。然后我们可以派生出"汽车"类，它继承了"交通工具"的所有特性，同时添加了特有的属性如"燃油类型"、"排量"等，以及特有的方法如"换挡"、"加油"等。

// 基类：交通工具class Vehicle {protected:double speed;double weight;int passengerCapacity;public:Vehicle(double s, double w, int pc) : speed(s), weight(w), passengerCapacity(pc) {}void start() { std::cout << "交通工具启动" << std::endl; }void stop() { std::cout << "交通工具停止" << std::endl; }void turn(const std::string& direction) { std::cout << "交通工具向" << direction << "转向" << std::endl; }};// 派生类：汽车class Car : public Vehicle {private:std::string fuelType;double engineVolume;public:Car(double s, double w, int pc, const std::string& ft, double ev) : Vehicle(s, w, pc), fuelType(ft), engineVolume(ev) {}void changeGear(int gear) { std::cout << "汽车换到" << gear << "档" << std::endl; }void refuel() { std::cout << "给汽车加" << fuelType << "油" << std::endl; }};

二、继承的类型

C++支持三种继承方式：公有继承（public）、保护继承（protected）和私有继承（private）。

公有继承（public inheritance）

公有继承是最常用的继承方式，它保持基类成员的访问权限不变：基类的public成员在派生类中仍为public，protected成员仍为protected。这种继承方式表达了"是一个"（is-a）的关系。

例如：一只猫"是一个"动物，一辆轿车"是一个"汽车。

class Animal {public:void eat() { std::cout << "动物在进食" << std::endl; }void sleep() { std::cout << "动物在睡觉" << std::endl; }};class Cat : public Animal {public:void meow() { std::cout << "猫咪喵喵叫" << std::endl; }};// 使用示例Cat fluffy;fluffy.eat();   // 继承自基类fluffy.sleep(); // 继承自基类fluffy.meow();  // 派生类自己的方法

保护继承（protected inheritance）

保护继承将基类的public成员变为派生类的protected成员，基类的protected成员在派生类中仍为protected。这种继承方式不常用，表达了一种内部实现关系。

私有继承（private inheritance）

私有继承将基类的所有成员（public和protected）在派生类中都变为private。这种继承表达了"使用一个"（使用其实现）的关系，而非"是一个"的关系。

例如：一个引擎是汽车的组成部分，但我们通常不会说一个引擎"是一个"汽车。

class Engine {public:void start() { std::cout << "引擎启动" << std::endl; }void stop() { std::cout << "引擎停止" << std::endl; }};class Car : private Engine {public:void drive() {start();  // 可以访问基类的方法std::cout << "汽车行驶中" << std::endl;}void park() {std::cout << "汽车停车" << std::endl;stop();  // 可以访问基类的方法}};// 使用示例Car myCar;myCar.drive();myCar.park();// myCar.start(); // 错误！基类的方法变成了私有的，外部不能访问

三、继承中的构造和析构

在继承关系中，当创建派生类对象时，会先调用基类的构造函数，再调用派生类的构造函数；析构时则相反，先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数。

构造函数的调用顺序

想象建造一栋房子，必须先建好地基（基类），然后才能建墙和屋顶（派生类）。

class Base {public:Base() { std::cout << "基类构造函数" << std::endl; }~Base() { std::cout << "基类析构函数" << std::endl; }};class Derived : public Base {public:Derived() { std::cout << "派生类构造函数" << std::endl; }~Derived() { std::cout << "派生类析构函数" << std::endl; }};// 使用示例Derived obj;// 输出:// 基类构造函数// 派生类构造函数// 派生类析构函数// 基类析构函数

初始化列表中调用基类构造函数

派生类可以在其初始化列表中显式调用基类的构造函数，传递必要的参数。

class Person {protected:std::string name;int age;public:Person(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) {std::cout << "创建了一个人：" << name << "，年龄：" << age << std::endl;}};class Student : public Person {private:std::string school;int grade;public:Student(const std::string& n, int a, const std::string& s, int g) : Person(n, a), school(s), grade(g) {std::cout << name << "是" << school << "的学生，" << grade << "年级" << std::endl;}};// 使用示例Student s("张三", 15, "第一中学", 9);

四、虚函数与多态

继承最强大的特性之一是支持多态，允许我们通过基类指针或引用调用派生类的方法。这通过虚函数来实现。

虚函数基础

虚函数使用virtual关键字声明，告诉编译器该函数可能会被派生类重写（override）。

就像不同的动物都会发出声音，但具体的声音不同。

class Animal {public:virtual void makeSound() {std::cout << "动物发出声音" << std::endl;}};class Dog : public Animal {public:void makeSound() override {std::cout << "汪汪汪！" << std::endl;}};class Cat : public Animal {public:void makeSound() override {std::cout << "喵喵喵！" << std::endl;}};// 多态示例void letAnimalSpeak(Animal& animal) {animal.makeSound();  // 调用实际对象的方法}Dog dog;Cat cat;letAnimalSpeak(dog);  // 输出：汪汪汪！letAnimalSpeak(cat);  // 输出：喵喵喵！

纯虚函数与抽象类

纯虚函数是没有实现的虚函数，使用= 0声明。包含纯虚函数的类称为抽象类，不能直接实例化。

比如我们可以谈论"交通工具"这个概念，但不能制造一个"纯粹的交通工具"，我们只能制造具体的交通工具，如汽车、自行车等。

class Shape {public:virtual double area() const = 0;  // 纯虚函数virtual double perimeter() const = 0;  // 纯虚函数};class Circle : public Shape {private:double radius;public:Circle(double r) : radius(r) {}double area() const override {return 3.14159 * radius * radius;}double perimeter() const override {return 2 * 3.14159 * radius;}};class Rectangle : public Shape {private:double width, height;public:Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}double area() const override {return width * height;}double perimeter() const override {return 2 * (width + height);}};// 使用示例// Shape shape; // 错误！抽象类不能实例化Circle circle(5.0);Rectangle rectangle(4.0, 6.0);std::cout << "圆的面积：" << circle.area() << std::endl;std::cout << "矩形的面积：" << rectangle.area() << std::endl;

五、虚析构函数的重要性

当通过基类指针删除派生类对象时，如果基类的析构函数不是虚函数，则只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数，导致资源泄漏。

就好像拆除一栋多层建筑时，如果只拆除基础（基类）而忽略了上层结构（派生类），会留下悬空的危险结构。

class Base {public:Base() { std::cout << "基类构造" << std::endl; }// 错误示范：非虚析构函数~Base() { std::cout << "基类析构" << std::endl; }// 正确做法：虚析构函数// virtual ~Base() { std::cout << "基类析构" << std::endl; }};class Derived : public Base {private:int* data;public:Derived() {std::cout << "派生类构造" << std::endl;data = new int[100];  // 分配资源}~Derived() {std::cout << "派生类析构" << std::endl;delete[] data;  // 释放资源}};// 问题示例Base* ptr = new Derived();delete ptr;  // 如果Base的析构函数不是虚函数，这里会导致内存泄漏

六、多重继承

C++支持多重继承，一个类可以同时继承多个基类。尽管强大，但多重继承也容易引起一些问题，如菱形继承问题。

多重继承基础

比如一个人既可以是学生，又可以是员工（兼职学生）。

class Student {protected:std::string school;int studentId;public:Student(const std::string& s, int id) : school(s), studentId(id) {}void study() { std::cout << "学习中..." << std::endl; }};class Employee {protected:std::string company;int employeeId;public:Employee(const std::string& c, int id) : company(c), employeeId(id) {}void work() { std::cout << "工作中..." << std::endl; }};class PartTimeStudent : public Student, public Employee {public:PartTimeStudent(const std::string& s, int sId, const std::string& c, int eId): Student(s, sId), Employee(c, eId) {}void showInfo() {std::cout << "我是" << school << "的学生，学号" << studentId << std::endl;std::cout << "同时也是" << company << "的员工，工号" << employeeId << std::endl;}};// 使用示例PartTimeStudent pts("北京大学", 12345, "腾讯", 67890);pts.study();  // 来自Student类pts.work();   // 来自Employee类pts.showInfo();

菱形继承与虚继承

菱形继承是指一个派生类通过多条继承路径继承了同一个基类，导致基类成员在派生类中出现多次。

比如一个人继承了父亲和母亲的基因，而父亲和母亲又都继承了祖父母的基因，这会导致这个人从两条路径继承了相同的基因。

class Animal {protected:std::string name;public:Animal(const std::string& n) : name(n) {}void eat() { std::cout << name << "正在吃东西" << std::endl; }};// 不使用虚继承class Mammal : public Animal {public:Mammal(const std::string& n) : Animal(n) {}void giveMilk() { std::cout << name << "哺乳中" << std::endl; }};class Bird : public Animal {public:Bird(const std::string& n) : Animal(n) {}void fly() { std::cout << name << "飞行中" << std::endl; }};// 使用虚继承可以解决菱形继承问题// class Mammal : virtual public Animal { ... };// class Bird : virtual public Animal { ... };class Bat : public Mammal, public Bird {public:// 不使用虚继承时，需要显式指定调用哪个基类的成员Bat(const std::string& n) : Mammal(n), Bird(n) {}// 调用哪个eat方法？这里产生了二义性// void doSomething() { eat(); } // 错误：二义性// 需要显式指定void doSomething() {Mammal::eat();  // 或者 Bird::eat();}};

虚继承（使用virtual关键字）可以解决菱形继承问题，确保共同基类在派生类中只有一个实例。

七、总结与最佳实践

继承的优点

代码重用：避免重复编写相同的代码
建立类层次结构：反映现实世界中的关系
支持多态：提高代码的灵活性和扩展性

使用继承的注意事项

遵循"是一个"原则：公有继承应表达"是一个"的关系
基类析构函数应为虚函数：防止资源泄漏
慎用多重继承：可能引起复杂性和二义性问题
考虑组合代替继承：如果关系更像"有一个"而非"是一个"

实际应用场景

继承在许多实际应用中都很有用，例如：

图形用户界面（GUI）框架：按钮、文本框等都继承自通用组件类

游戏开发：不同类型的游戏角色继承自基本角色类

数据库访问层：不同数据库连接类继承自通用数据库接口

// GUI框架示例class Widget {protected:int x, y;int width, height;public:Widget(int x, int y, int w, int h) : x(x), y(y), width(w), height(h) {}virtual void draw() = 0;virtual void handleEvent(const Event& e) = 0;};class Button : public Widget {private:std::string label;std::function<void()> clickHandler;public:Button(int x, int y, int w, int h, const std::string& l, std::function<void()> handler): Widget(x, y, w, h), label(l), clickHandler(handler) {}void draw() override {std::cout << "绘制按钮：" << label << std::endl;}void handleEvent(const Event& e) override {if (e.type == EventType::CLICK && isInside(e.x, e.y)) {clickHandler();}}bool isInside(int mouseX, int mouseY) {return mouseX >= x && mouseX <= x + width &&mouseY >= y && mouseY <= y + height;}};