继承

一、继承的概念及定义

1.继承的概念

继承(inheritance)机制是面向对象程序设计使代码可以复用（避免设计重复）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，称派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构，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。

如下的子类Student类和Teacher类就继承了父类Person。

class Person
{
    
    
public:
    void Print()
    {
    
    
        cout << "name:" << _name << endl;
        cout << "age" << _age << endl;
    }
protected:
    string _name = "wei"; // 姓名
private:
    int _age = 10; // 年龄
};

//继承后父类的Person的成员（成员函数+成员变量）都会变成子类的一部分。
//这里体现出了Student和Teacher复用了Person的成员。
//下面我们使用监视窗口查看Student和Teacher对象，可以看到变量的复用。
//调用Print可以看到成员函数的复用。

class Student : public Person
{
    
    
public:
    void Func()
    {
    
    
        cout << "name:" << _name << endl;
        cout << "age" << _age << endl;
    }
protected:
    int _stuid; // 学号
};

class Teacher : public Person
{
    
    
protected:
    int _jobid; // 工号
};

int main()
{
    
    
    Student s1;
    Teacher t1;
    s1.Print();
    t1.Print();

    return 0;
}

继承后父类的Person的成员（成员函数+成员变量）都会变成子类的一部分。这里体现出了Student和Teacher复用了Person的成员。下面我们使用监视窗口查看Student和Teacher对象，可以看到变量的复用。调用Print可以看到成员函数的复用。

2.继承的定义

2.1.定义格式

下面我们看到Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。

2.2.继承关系和访问限定符

父类有三种访问限定符，子类有三种继承方式，两类组合共有9类。

2.3.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

总结：

• 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。
• 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。
• 实际上面的表格我们进行一下总结会发现，基类的私有成员在子类都是不可见。基类的其他成员在子类的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public > protected > private。
• 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。
• 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。

示例：

// 实例演示三种继承关系下基类成员的各类型成员访问关系的变化
class Person
{
    
    
public :
    void Print ()
    {
    
    
        cout << "name:" << _name << endl;
        cout << "age:" << _age << endl;
    }
protected :
    string _name ; // 姓名
private :
    int _age ; // 年龄
};
//class Student : protected Person
//class Student : private Person
class Student : public Person
{
    
    
protected :
    int _stunum ; // 学号
};

此时Print函数还是公有（类内类外都可访问），_ name是保护（类内可以访问，类外不行），_age是私有（类内外都不可以访问）。当子类是私有继承时，公有和保护均变私有。

• 何为不可见？

class Person
{
    
    
public:
    void Print()
    {
    
    
        cout << "name:" << _name << endl;
        cout << "age:" << _age << endl;
    }
private:
    string _name; // 姓名
    int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
    
    
public:
    void func()
    {
    
    
        Print();//基类公有Print在子类可以访问
        //_age = 10; 错误 基类私有_age不能在子类访问
    }
protected:
    int _stuid; // 学号
};
int main()
{
    
    
    Student s;
    //s._age = 10; 错误 基类私有_age不能在类外访问
}

不可见就是说基类的私有成员无论被子类以何种方式继承，在子类里和类外都不能访问基类的私有成员。但是父类的私有成员也是继承到子类了，只是语法上限制派生类对象不管在类里还是类外都不能去访问，也就是它只是不可见（不能访问）但确实继承了基类。

1. protected/private成员对于基类 —— 一样的，类外不能访问，类里可以访问。
2. protected/private成员对于派生类 —— private成员不能用，protected成员类里面可以用。

2.4.默认继承方式

在使用继承的时候也可以不指定继承方式，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。

例如，在关键字为class的派生类当中，所继承的基类成员_name的访问方式变为private。

//基类
class Person
{
    
    
public:
    string _name = "张三"; //姓名
};
//派生类
class Student : Person //默认为private继承
{
    
    
protected:
    int _stuid;   //学号
};

在关键字为class的派生类当中，所继承的基类成员_name的访问方式变为private。

//基类
//基类
class Person
{
    
    
public:
    string _name = "张三"; //姓名
};
//派生类
struct Student : Person //默认为public继承
{
    
    
protected:
    int _stuid;   //学号
};

注意： 虽然继承时可以不指定继承方式而采用默认的继承方式，但还是最好显示的写出继承方式。

二、基类和派生类对象赋值转换

• 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。这里有个形象的说法叫切片或者切割。寓意把派生类中父类那部分切来赋值过去。前提是要public公有继承。
• 基类对象不能赋值给派生类对象。
• 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(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个我们后面再讲解，这里先了解一下）

示例：

//父类
class Person
{
    
    
protected:
    string _name; // 姓名
    string _sex; // 性别
    int _age; // 年龄
};
//子类
class Student : public Person
{
    
    
public:
    int _No; // 学号
};
int main()
{
    
    
    Student s;
    // 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
    Person p = s; //派生类对象赋值给基类对象
    Person* rp = &s; //派生类对象赋值给基类指针
    Person& ptrp = s; //派生类对象赋值给基类引用

    //2.基类对象不能赋值给派生类对象
    //s = p; err

    // 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，后面详细介绍，这里了解
    rp = &s;
    Student* ps1 = (Student*)rp; // 这种情况转换时可以的。
    ps1->_No = 10;
    rp = &p;
    Student* ps2 = (Student*)rp; // 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;
}

• 注意：

在之前的学习中，不同类型之间的互相赋值，中间会产生一个临时对象，而这里子类对象给父类的对象、指针、引用都是语法原生支持，没有类型转换，也不会产生临时对象。

三、继承中的作用域

• 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
• 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）
• 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。
• 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

示例：

• 1、成员变量的隐藏：

// 父类
class Person
{
    
    
protected:
    string _name = "小李子"; // 姓名
    int _num = 111;        // 身份证号
};

// 子类
class Student : public Person
{
    
    
public:
    void Print()
    {
    
    
        cout << " 姓名:" << _name << endl;
        cout << " 学号:" << _num<< endl;
        cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;
    }
protected:
    int _num = 999; // 学号
};

int main()
{
    
    
    Student s;
    s.Print();
    return 0;
}

子类和父类有同名成员 num，此时我s1调用Print函数访问 num时，会在子类里寻找 num，而屏蔽了父类的 num（隐藏），当然也可以在子类里指定访问父类的_num，只需要指定类域即可，因此结果如下：

• 2、成员函数的隐藏：

// 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。
class A
{
    
    
public:
    void fun()
    {
    
    
        cout << "A::fun()" << endl;
    }
};
class B : public A
{
    
    
public:
    void fun(int i)
    {
    
    
        cout << "B::fun(int i)->" << i << endl;
    }
};
int main()
{
    
    
    B b;
    b.fun(10);//构成隐藏，屏蔽父类，调用子类的 B::fun(int i)->10
    b.A::fun();//指定作用域调用父类   A::fun()
    //b.fun(); 编译报错，构成隐藏，必须指定父类作用域或传参
};

注意A::fun 和 B::fun的关系为隐藏（因为函数名相同），函数重载要求是在同一作用域，而这里很显然不是。对象b在访问fun函数的时候，子类会屏蔽父类的fun函数，因此最终的访问结果为B::fun(int i)->10。当然也可以加上指定作用域以此访问父类的fun函数。

四、派生类的默认成员函数

6个默认成员函数，“默认”的意思就是指我们不写，编译器会给我们自动生成一个，那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？

• 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。
• 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。
• 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
• 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。
• 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
• 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
• 因为后续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(这个我们后面会讲解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()，所以父类析构函数不加virtual的情况下，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。

示例：以下面的Person类作为基类

// 父类
class Person
{
    
    
public:
    Person(const char* name = "wei")
        :_name(name)
    {
    
    
        cout << "Person()" << endl;
    }
    // 拷贝构造
    Person(const Person& p)
        :_name(p._name)
    {
    
    
        cout << "Person(const Person& p)" << endl;
    }
    // 赋值重载
    Person& operator=(const Person& p)
    {
    
    
        cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
        if (this != &p)
        {
    
    
            _name = p._name;
            return *this;
        }
    }
    // 析构函数
    ~Person()
    {
    
    
        cout << "~Person()" << endl;
    }
protected:
    string _name; // 姓名
};

// 子类
class Student : public Person
{
    
    
public:
    Student(const char* name, int age)
        :Person(name)
        ,_age(age)
    {
    
    }
protected:
    int _age; // 年龄
};

int main()
{
    
    
    //Student s1;
    Student s2("zhangsan", 18);
    Student s3(s2);
    return 0;
}

我们用此基类派生出Student类，根据先前派生类默认成员函数的书写规则，完成后如下：

//子类
class Student : public Person
{
    
    
    //子类构造函数原则：a、调用父类构造函数初始化继承父类的成员。b、自己再初始化自己的成员
    //析构、拷贝构造、赋值重载也是类似
public:
    /*1、构造函数*/
    Student(const char* name, int num = 10)
        :Person(name)//调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员,不允许初始化父类的成员 错误：_name(name)
        , _num(num)//初始化派生类成员
        , _address("上海")
    {
    
    
        cout << "Student(const char* name, int num)" << endl;
    }
    /*2、拷贝构造函数*/
    Student(const Student& s)
        :Person(s)//调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝构造
        , _num(s._num)//拷贝构造派生类成员
    {
    
    
        cout << "Student(const Student& s)" << endl;
    }
    /*3、赋值运算符重载函数*/
    Student& operator=(const Student& s)
    {
    
    
        if (this != &s)
        {
    
    
            //子类operator=和父类operator=构成隐藏，为了避免无穷递归，要加上指定父类作用域
            Person::operator=(s);//调用基类的operator=完成基类成员的赋值，显式调用父类赋值重载，防止自己不断调用自己
            _num = s._num;//完成派生类的赋值
        }
        cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
        return *this;
    }
    /*4、析构函数*/
    // 第一怪：1、子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。（由于多态关系需求，所有析构函数都会特殊处理成destructor函数名）
    // 第二怪：2、子类先析构，父类再析构。子类析构函数不需要显示调用父类析构，子类析构后会自动调用父类析构
    ~Student()
    {
    
    
        // Person::~Person(); 不需要显示调用父类析构
        cout << "~Student()" << endl;
    }//自动调用父类的析构函数
protected:
    int _num; //学号
    string _address; // 地址
};

问题：如何设计一个不能被继承的类？

• 答案：只需要把父类的构造函数设计成私有即可。因为此时继承后没有构造函数就不能定义对象了，因为子类的构造函数必须调用父类的构造函数，而私有不可见，所以不能被继承。

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子类私有和保护成员

// 友元关系不继承
class Student;
class Person
{
    
    
public:
    friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
    string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
    
    
    // 想访问Display函数，同时变成子类的友元即可
public:
    friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
    int _stuNum; // 学号
};

void Display(const Person& p, const Student& s)
{
    
    
    //Display是父类的友元，不是子类的友元
    cout << p._name << endl;//可以访问父类
    // cout << s._stuNum << endl; 错误 不能访问子类
}
int main()
{
    
    
    Person p;
    Student s;
    Display(p, s);
}

如上Display函数是父类的友元，不是子类的友元，友元关系不能继承。可以访问父类的成员，不能访问子类的。若想让Display函数也能够访问派生类Student的私有和保护成员，只能在派生类Student当中进行友元声明。

并不鼓励大家使用友元，因为它破坏了封装。

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 。

class Person
{
    
    
public:
    Person() {
    
     ++_count; }

    void Print()
    {
    
    
        cout << this << endl;
        cout << _name << endl;
        cout << _count << endl;
    }

//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
};

// 静态成员属于整个类，所有对象。同时也属于所有派生类及对象
int main()
{
    
    
    Person p;
    Student s;
    p._name = "张三";
    s._name = "李四";
    p._count++;
    s._count++;
    cout << p._count << endl; // 4
    cout << s._count << endl; // 4
    cout << &p._count << endl; // 地址相同
    cout << &s._count << endl; // 地址相同
    cout << Person::_count << endl; // 4
    cout << Student::_count << endl; // 4

    Person* ptr = nullptr;
    cout << ptr->_name << endl;  // no
    ptr->Print();                // ok
    cout << ptr->_count << endl; // ok

    (*ptr).Print();             // ok
    cout << (*ptr)._count << endl; // ok

    return 0;
}

• 注意：

大家不要看到->、* 就是解引用，这里Print()、 count不在对象Person中，对象里面只有成员，函数存在代码段里， count存在静态区里，但是 name在ptr指向的对象里，ptr传递给了this指针，相当于this指针为空指针，这里我们访问 name会报错，访问Print()、_ count不会报错。下面两种方式与上面等价。

七、继承的方式

• 1、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

如Student的父类只有Person，PostGraduate的父类只有Student。

• 2、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

如子类Assistant有父类Student和Teacher。

• 3、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。

示例：

class Person
{
    
    
public:
    string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
    
    
protected:
    int _num; //学号
};
class Teacher : public Person
{
    
    
protected:
    int _id; // 教职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
    
    
protected:
    string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
    
    
    // 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
    Assistant a;
    //a._name = "peter"; 错误:存在二义性的问题
    //存在数据冗余问题
    cout << sizeof(a) << endl; 
}

Student和Teacher都继承了Person，都有成员_ name，而Assistant是Student和Teacher的子类，直接用Assistant的对象去访问_name会导致二义性的问题，不知访问哪个，但是可以指定类域进行访问，如下：

// 需要显示指定访问哪个父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 = "张三";
a.Teacher::_name = "罗老师";
//依旧存在数据冗余
cout << sizeof(a) << endl; //80136

这里解决了二义性，但是数据冗余问题还是没法解决，在Assistant的对象中，Person的成员会有两份。

解决办法见下文：

1.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。即在腰部的位置加上关键字virtual即可：

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; // 教职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
    
    
protected:
    string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
    
    
    Assistant a;
    //不存在二义性问题
 a._name = "peter"; 
    //也不存在数据冗余问题
    cout << sizeof(a) << endl;
    a.Student::_name = "张三";
    a.Teacher::_name = "罗老师";
}

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。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。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。

2.菱形虚拟继承的原理

以下面的案例为模型：

class A
{
    
    
public:
    int _a;
};
class B : public A
//class B : virtual public A
{
    
    
public:
    int _b;
};
class C : public A
//class C : virtual public A
{
    
    
public:
    int _c;
};
class D : public B, public C
{
    
    
public:
    int _d;
};
int main()
{
    
    
    D d;
    d._b = 1;
    d._c = 2;
    d._d = 3;
    d.B::_a = 4;
    d.C::_a = 5;
    return 0;
}

通过观察内存窗口，我们观察到D类的对象中的各个成员的内存分布如下：

画图展现具体分布情况：

当我们在腰部加上virtual后，代码如下：

class A
{
    
    
public:
    int _a;
};
//class B : public A
class B : virtual public A
{
    
    
public:
    int _b;
};
//class C : public A
class C : virtual public A
{
    
    
public:
    int _c;
};
class D : public B, public C
{
    
    
public:
    int _d;
};;

int main()
{
    
    
    D d;
    d._a = 0;
    d.B::_a = 1;
 // B* ptr1 = &d;
 // ptr1->_a = 1;
    d.C::_a = 2;
 // C* ptr2 = &d;
 // ptr2->_a = 2;
    d._b = 3;
    d._c = 4;
    d._d = 5;
    return 0;
}

使用菱形虚拟继承内存分布如下：

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（虚基类）。

虚机表中第一个数据是为多态的虚表预留的存偏移量的位置（这里我们不必关心）。第二行的数字20和12的意思是距离A存储位置的偏移量。

假设我现在有如下的对象：

int main()
{
    
    
 B b;
 b._a = 1;
 b._b = 2;
 B* ptr = &b;
 ptr->_a = 10;
 ptr = &d;
 ptr->_a = 20;
    return 0;
}

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理图示：

八、继承的总结和反思

1、很多人说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就存在菱形继承，有了菱形继承就有菱形虚拟继承，底层实现就很复杂。所以一般不建议设计出多继承，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、继承和组合

继承：

//继承
class C
{
    
    };
class D : public C
{
    
    };
//白箱复用：
//C对象公有成员D可以直接用
//公有成员D也可以直接用

组合：

//组合
class C
{
    
    };
class D
{
    
    
    C _c;//让C变成D的成员
};
//黑箱复用
//C对象公有成员D可以直接用
//C对象保护成员D不能直接用

• 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。例如（狗是动物）
• 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。例如（车子有发动机、轮胎……）
• 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(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。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。
• 实际尽量多去用组合。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。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。

九、继承相关面试题

• 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情况，两个子类继承同一个父类，而又有子类同时继承这两个子类，我们称这种继承为菱形继承。
菱形继承因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致数据冗余和二义性的问题。

• 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性？

菱形虚拟继承是指在菱形继承的腰部使用虚拟继承(virtual)的继承方式，菱形虚拟继承对于D类对象当中重复的A类成员只存储一份，然后采用虚基表指针和虚基表使得D类对象当中继承的B类和C类可以找到自己继承的A类成员，从而解决了数据冗余和二义性的问题。

• 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

继承是一种is-a的关系，而组合是一种has-a的关系。如果两个类之间是is-a的关系，使用继承；如果两个类之间是has-a的关系，则使用组合；如果两个类之间的关系既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。