c++进阶———继承

1.引言

在一些大的项目中，我们可能要重复定义一些类，但是很麻烦，应该怎么办呢？举个简单的例子，我要做一个全校师生统计表，统计学号，教师编号，姓名，年龄，电话，联系方式等等，这些内容仅有一点点不同，如果我先定义一个教师类，私有成员包括上述与教师相关的内容，在定义一个学生类，私有成员也包含上述与学生相关的内容，这样会显得十分麻烦，而且重复定义，浪费时间。我们不如在这里引入一个新的概念：继承。通过定义一个基类（也叫父类），其私有成员包括二者共有的内容，之后在分别定义学生和老师类，并继承基类的私有成员，这样问题便得以解决！

2.继承 

在C++中，继承是一种面向对象编程的核心概念，它允许一个类（称为派生类或子类）继承另一个类（称为基类或父类）的属性（成员变量）和行为（成员函数）。通过继承，派生类可以重用基类的代码，同时还可以添加新的功能或修改继承的功能。

2.1 继承的基本概念

继承是一种“是一种”（is-a）关系，表示派生类是基类的一种特殊形式。例如，Dog 是 Animal 的一种，Car 是 Vehicle 的一种。通过继承，派生类可以自动获得基类的成员变量和成员函数，并且可以根据需要对这些成员进行扩展或修改.

2.2 继承方式

• 公有继承（public）：

  • 基类的 public 成员在派生类中保持 public。

  • 基类的 protected 成员在派生类中保持 protected。

  • 基类的 private 成员在派生类中不可访问。

• 保护继承（protected）：

  • 基类的 public 和 protected 成员在派生类中都变为 protected。

  • 基类的 private 成员在派生类中不可访问。

• 私有继承（private）：

  • 基类的 public 和 protected 成员在派生类中都变为 private。

  • 基类的 private 成员在派生类中不可访问。

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。

2.3 继承的示例

我先将完整的代码展示出来，随后做解释：

#include<iostream>
using namespace std;
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 = "zhagsan";
	string _address;
	string _tel;
	int _age = 18;
};
class student :public person
{
public:
	// 学习
	void study()
	{
		//...
		identity();
	}
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;
}

运行结果：
 

 解释：student类和teacher类都继承了person类，而且都是公有继承，因此可以调用person类的                函数。可以试一下，将public改为protected或者private，程序就会报错，无法调用基类的                identity函数。

体验一下protected继承 

class person
{
public:
	void print()
	{
		cout << _name << endl;
		cout << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
private:
	int _age = 18; // 年龄
};
class student :protected person
{
public:
	void func()
	{
		// 不可见
		//cout << _age << endl;
		print();
	}
protected:
	int _stunum = 1; // 学号
};
int main()
{
	student s;
	s.func();         //可以运行
	//s.print();        //派生类的protected成员，类外不能访问
	//s._name;
	return 0;
}

3. 基类和派生类间的转换

• 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。

class Person
{
protected:
	string _name = "张三"; // 姓
	int _id = 1;
};
class student :public Person
{
public:
	void func()
	{
		cout << _id << endl;
	}
protected:
	int _stunum = 1; // 学号
	int _id = 2;
};
int main()
{
	student s;
	Person* ptr = &s;
	Person& ref = s;
	return 0;
}

4. 继承中的作用域

4.1 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

class Person
{
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
	int _id = 1;
};
class Student : public Person
{
public:
	void func()
	{
		cout << Person::_id << endl;     //默认的是打印派生类的（自己的）若想打印基类的，要加 
                                         // 上“前缀”
		cout << _id << endl;
	}
protected:
	int _stunum = 1; // 学号
	int _id = 2;
};

int main()
{
	Student s;
	s.func();

	return 0;
}

若两个类的函数是相同的， 则应该这样访问

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;
};

 结果如下：

5. 派生类的默认成员函数

5.1  4个常见默认成员函数

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. 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。

class Person
{
public:
	//Person(const char* name = "peter")
	Person(const char* name)
		: _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
};
 //子类中父类成员变量当成整体对象，作为子类自定义类型成员看待
class Student : public Person
{
public:
	// 报错
	/*Student(const char* name, int num)
		:_name(name)
		,_num(num)
	{}*/

	Student(const char* name, int num)
		:Person(name)
		,_num(num)
	{}

	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		,_num(s._num)
	{
		// 深拷贝 需要自己写，否则默认生成的就可以够了
		//...
	}

	Student& operator=(const Student& s)
	{
		// 深拷贝 需要自己写，否则默认生成的就可以够了
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s);
			_num = s._num;
		}

		return *this;
	}
	~Student()
	{
		// 不需要显示调用，保证析构时，先子后父
		//Person::~Person();
		delete[] _ptr;

		// 派生类析构结束后，自动调用父类的析构
	}
protected:
	int _num = 1; //学号

	int* _ptr = new int[10];
};

6. 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
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);      //将这行去掉后，编译器报错

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;
}

7. 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;
	cout << &p._name << endl;
	cout << &s._name << endl;

	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;
	cout << &Person::_count << endl;
	cout << &Student::_count << endl;

	return 0;
}

运行结果：

8. 多继承及其菱形继承问题

8.1 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。

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()
{
	// 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;
}

 9. 继承和组合

9.1 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(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。

• 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。

• 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。