【C++练级之路】【Lv.12】继承（你真的了解菱形虚拟继承吗？）

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一、继承的概念及定义

1.1 继承的概念

继承(inheritance)，是面向对象的三大特性之一。

它是面向对象编程中，使代码可以复用的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加功能，这样产生新的类。

之前我们接触的复用，都是函数设计层面的复用，而继承则是类设计层面的复用，体现了由简单到复杂的认知过程。

1.2 继承的定义

举个例子，一个Student类继承一个Person类：

class Person
{
    
    
protected:
	string _name;
	int _age;
};

class Student :public Person
{
    
    
protected:
	int _stuid;
};

• 此时，Person类称为基类（父类），Student类称为派生类（子类）
• 继承方式为public（公有）继承
  

1.3 继承方式和访问限定符

之前介绍访问限定符，没有详细介绍protected，是因为到了继承，protected才和private有所区别。

1.4 继承基类成员访问方式的变化

类成员/继承方式	public继承	protected继承	private继承
基类的public成员	派生类的public成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的private成员	在派生类中不可见	在派生类中不可见	在派生类中不可见

细节：

1. public和protected成员，对于任何继承，永远是取二者的较小范围（public > protected > private）
2. private成员比较特殊，无论任何继承，都不可见（派生类对象无论在类内，还是类外，都无法访问继承的private成员）
3. 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，不过最好显式写出继承方式。

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值得一提的是，正因private成员在派生类中不可见，所以想要基类成员不被类外访问，却能在派生类中访问，则使用protected限定符。

同时，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。

二、基类和派生类对象赋值转换

class Person
{
    
    
protected:
	string _name;
	string _sex;
	int _age;
};

class Student : public Person
{
    
    
public:
	int _No; // 学号
};

1. 派生类对象可以赋值给 基类的对象/基类的指针/基类的引用（称为切片或切割）

Student sobj;
// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person pobj = sobj;
Person* pp = &sobj;
Person& rp = sobj;

2. 基类对象不能赋值给派生类对象

//2.基类对象不能赋值给派生类对象
sobj = pobj;//err

3. 基类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或者引用。但是必须是基类的指针是指向派生类对象时才是安全的。

这里基类如果是多态类型，可以使用RTTI(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。

// 3.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; //这种情况转换时可以的。
ps1->_No = 10;

pp = &pobj;
Student* ps2 = (Student*)pp; //这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问题
ps2->_No = 10;

三、继承中的作用域

1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
2. 子类和父类中有同名成员，子类成员将屏蔽父类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏，也叫重定义。（在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问）
3. 如果是成员函数的隐藏，只要函数名相同就构成隐藏。

注意：在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

举个例子：

class A
{
    
    
public:
	void fun()
	{
    
    
		cout << "func()" << endl;
	}
};

class B : public A
{
    
    
public:
	void fun(int i)
	{
    
    
		A::fun();
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};

• B中的fun和A中的fun不是构成重载，因为不是在同一作用域
• B中的fun和A中的fun构成隐藏，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。

四、派生类的默认成员函数

先给出基类的默认成员函数：

class Person
{
    
    
public:
	Person(const char* name = "peter")
		: _name(name)
	{
    
    }

	Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
    
    }

	Person& operator=(const Person& p)
	{
    
    
		if (this != &p)
			_name = p._name;

		return *this;
	}

	~Person()
	{
    
    }
protected:
	string _name;
};

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

4.1 构造函数

• 派生类的构造函数必须调用基类的构造函数初始化基类继承的成员（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式调用）
• 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。

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

4.2 拷贝构造函数

• 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。

Student(const Student& s)
	: Person(s)
	, _num(s._num)
{
    
    }

4.3 赋值重载函数

• 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的赋值。

Student& operator=(const Student& s)
{
    
    
	if (this != &s)
	{
    
    
		Person::operator=(s);
		_num = s._num;
	}
	return *this;
}

4.4 析构函数

• 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。
• 基类析构函数不加virtual的情况下（关于多态：析构函数在某些场景下需要重写，编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()），派生类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。

~Student()
{
    
    }

五、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protected和private成员。

六、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。无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例。

以下代码利用这个性质，可以统计人的个数：

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
};

七、菱形继承及虚拟继承

7.1 菱形继承

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

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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

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菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。

菱形继承的问题：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。

7.2 虚拟继承

7.2.1 解决方法

为了解决菱形继承出现的数据冗余和二义性，出现了虚拟继承。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。

使用虚拟继承时，在继承方式前加上virtual关键字：

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
};

void Test()
{
    
    
	Assistant a;
	a._name = "peter";
}

需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。

7.2.2 原理

在菱形虚拟继承中：

• Assistant的对象中Person成员只存在一份，并且存在于对象的最底部
• Student和Teather部分会存在各自的指针，该指针（虚基表指针）指向一份表（虚基表），其中记录了各自相对于Person部分偏移量（通过偏移量就能找到下方的Person部分）
  

八、继承的总结与反思

1. 尽量少用多继承，一定不要设计出菱形继承，否则在复杂度及性能上都有问题。
2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承，如Java。
3. 继承与组合
   • 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。
   • 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。
   • 优先使用对象组合，而不是类继承。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。

class A
{
    
    
public:
	int _a;
};

class B : public A
{
    
    
public:
	int _b;
};

class C
{
    
    
public:
	int _c;
};

class D
{
    
    
public:
	int _d;
	C _cc;
};

上述代码，A和B是继承关系，而C和D是组合关系。

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几道面试题：

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的？
3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

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