C++进阶篇之继承

继承的概念及定义

继承的概念

继承是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段。继承呈现了层次结构，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，继承是类设计层次的复用

继承的定义

定义格式
在派生类的定义后加继承关系和基类类名

class Student: public Person
{
    
    }

继承关系和访问限定符
继承关系：公有public，保护protected，私有private
访问限定符：公有public，保护protected，私有private

总结

• 基类的private成员不管用什么方式继承，派生类都是不可见的（不可见不代表没有继承，只是派生类对象不管在类内还是类外都无法访问）
• 基类的成员如不想在类外直接访问，但是想在派生类中可以访问，可以把基类成员定义为protected
• 基类的成员在派生类中的访问方式==Min（基类中的访问限定符，继承方式）
• class默认继承方式为private， struct默认继承方式是public

基类和派生类对象赋值转换

派生类对象可以直接赋值给基类的对象/基类的指针/基类的引用，这种赋值通常叫做切片或切割。
当派生类切片赋值给基类的对象、指针或者引用时，其本质上将派生类中的基类那部分赋值过去。

• 基类对象不能赋值给派生类对象

class Person
{
    
    
protected:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
    
    
public:
	int _No; // 学号
};

定义基类Person和派生类Stduent

• 子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用

Student sobj;
Person pobj = sobj;
Person* pp = &sobj;
Person& rp = sobj;

• 基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针

pp = &sobj;
Student * ps1 = (Student*)pp; 
ps1->_No = 10;

• 这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问题

pp = &pobj;
Student* ps2 = (Student*)pp; 
ps2->_No = 10;

继承中的作用域（隐藏）

首先需要知道：基类和派生类都有独立的作用域，当基类的成员函数和派生类的成员函数同名后，并不会发生函数重载，因为函数重载需要在同一作用域下。
这种情况叫做隐藏，也叫做重定义。当发生隐藏时，派生类成员将屏蔽基类同名成员的直接访问。当时可以通过基类::基类成员显示访问

• 基类成员_num和派生类成员_num重名，在派生类中，基类的_num被隐藏，打印出的_num为999

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 << "学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};
int main()
{
    
    
	Student s1;
	s1.Print();
};

如果想要在派生类中访问基类的_num，可以显示访问：

cout << "学号:" << Person::_num << endl;

• 基类成员函数Print和派生类成员函数Print重名，基类成员函数被隐藏

class A
{
    
    
public:
	void Print()
	{
    
    
		cout << "Print()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
    
    
public:
	void Print(int i)
	{
    
    
		cout << "Print(int i)->" << i << endl;
	}
};
int main()
{
    
    
	B b;
	b.Print(10);
};

同理，如果想要在派生类中访问基类的Print，可以显示访问：

A::Print();

派生类的默认成员函数

构造函数

构造函数遵循以下两个原则：

• 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。
• 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。

析构函数

析构函数遵循以下两个原则：

• 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。
• 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。

拷贝构造函数

拷贝构造函数遵循以下原则：

• 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成基类的拷贝初始化。

赋值重载函数

赋值重载函数遵循以下原则：

• 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。

（1）派生类的四个成员函数我们不主动写！

当我们不写派生类的构造函数：

1. 父类继承下来的成员-> 调用父类默认的构造函数
2. 自己的成员->默认构造函数（对内置类型不做处理，自定义类型会调用自定义类型的构造函数）

当我们不写派生类的析构函数：

1. 父类继承下来的成员-> 调用父类默认的析构函数
2. 自己的成员->默认析构函数

当我们不写派生类的拷贝构造函数：

1. 父类继承下来的成员-> 调用父类默认的拷贝构造函数
2. 自己的成员->默认拷贝构造函数（对内置类型进行浅拷贝，自定义类型会调用自定义类型的拷贝构造函数）

当我们不写派生类的赋值重载函数：

1. 父类继承下来的成员-> 调用父类默认的赋值重载函数
2. 自己的成员->默认构造函数（对内置类型进行浅拷贝，自定义类型会调用自定义类型的赋值重载函数）

总结：继承下来的成员调用父类的处理，自己的成员按照普通类的规则处理。

（2）什么情况下我们必须自动写？

① 如果父类没有默认构造函数，需要子类显示写构造函数

② 如果子类有资源需要释放，需要子类显示写析构函数

③ 如果子类有浅拷贝问题，就需要子类自己写拷贝构造和赋值重载函数，解决浅拷贝问题。

（3）如果需要自己写，怎么写？

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;
	}
	// s2(s1)
	Student(const Student& s)
		: Person(s)
		, _num(s._num)
	{
    
    
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	// s1 = s3
	Student& operator=(const Student& s)
	{
    
    
		cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
		if (this != &s)
		{
    
    
			Person::operator =(s);
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
    
    
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号
};
int main()
{
    
    
	Student s1("sherry", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("crazey7", 17);
	s1 = s3;
}

代码生成的结果：

继承与友元

友元关系不能被继承，因此基类的友元函数并不是派生类的友元函数。

class Student;
class Person
{
    
    
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name = "sherry"; // 姓名
};
class Student : public Person
{
    
    
protected:
	int _stuNum = 202; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
    
    
	cout << p._name << endl;
	// 无法访问Student中的保护成员
	cout << s._stuNum << endl;  // error
}
int main()
{
    
    
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}

继承与静态成员

基类定义了一个static静态成员，则整个继承体系里面只有一个这样的成员。
例如，在基类Person中声明一个静态成员变量，在类外初始化，派生类Student，Graduate无论实例化多少个对象，Static静态成员变量_count只有一个。

class Person
{
    
    
public:
	Person() {
    
     ++_count; }
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person::_count = 0;

class Student : public Person
{
    
    
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

class Graduate : public Student
{
    
    
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};

int main()
{
    
    
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl; // _count = 4;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl; // _count = 0;
}

菱形继承与菱形虚拟继承

• 单继承：一个子类只有一个直接父类时，这样的继承关系为单继承
• 多继承：一个子类有两个及其以上的父类时，这样的继承关系为多继承
• 菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况

菱形继承有二义性和数据冗余的缺点。

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()
{
    
    
	
	Assistant a;
	//a._name = "peter"; // 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个

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

在调试界面中，表面明可以显示调用对应父类的成员变量。

为了解决二义性，可以显示调用父类的成员，但是数据冗余的问题仍然存在。
虚拟继承可以解决菱形继承中二义性和数据冗余的问题，虚拟继承的关键词为virtual，虚拟继承的使用方式是在继承方式前加virtual。

class Student : virtual public Person
{
    
    
protected:
	int _num; //学号
};

class Teacher : virtual public Person
{
    
    
protected:
	int _id; // 职工编号
};

int main()
{
    
    
	Assistant a;
	a._name = "peter"; 
}

虚拟继承不同的是，我们可以直接访问_nama成员，且在调试窗口可以发现，a对象中有三个Person，Student中的Person，Teacher中的Person，一个公有的Peoson。这里涉及到虚拟继承解决二义性和数据冗余的原理——虚基表

通过以下代码进行验证虚基表二义性和数据冗余的原理

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;
}

在调试窗口可以看出，本应存放B::_a和C::_a的数据内容的地址空间，存放的不是数据，而是指向一块新的空间，这块空间被称为虚基表。
虚基表有变量内容和偏移量。
B中_a地址 + 对应虚基表中的偏移量 = 公共_a的地址
C中_a地址 + 对应虚基表中的偏移量 = 公共_a的地址

继承的总结

C++缺陷：多继承 和 没有垃圾回收器

继承和组合

• public继承是一种is-a的关系，每个派生类对象都是一个基类对象。（派生类可以访问基类的公有/保护成员）
• 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。（B只能访问A的公有成员，不能访问保护成员）
• 类之间的关系既可以用继承，也可以用组合，就用组合。优先使用对象组合，而不是类继承 。
• 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。在继承方式中，基类的内部细节对子类可见 。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。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，因为对象的内部细节是不可见的。使用对象组合有助于保持每个类被封装。组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低。
• 组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有些关系就适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。

笔试面试题

1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

• 菱形继承是多继承的一种特殊的多继承，菱形继承会导致二义性和数据冗余的问题。

2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的问题？

• 菱形虚拟继承是在菱形继承的基础上，对继承同一父类的子类使用虚拟继承。通过创建一个公共的区域存放会冗余的数据，各个对象通过虚基表中的地址偏移量找到公共区域，进而获取数据。

3. 继承和组合的区别是什么？什么时候用继承，什么时候用组合？

• 继承是is-a的关系，每个派生类对象都是一个基类对象，派生类对象既可访问基类的公有成员，也可访问基类的保护成员；组合是has-a的关系，假设B组合A，每个B对象都有一个A对象，B只能访问A的公有成员，不能访问A的保护成员。如果符合is-a，则用继承；如果符合has-a，则有组合；如果都符合，优先用组合。