C++进阶之继承（下）

继承与友元

在 C++ 中，友元关系是不继承的，这意味着基类的友元不能访问派生类的私有和保护成员。

如果一个类被声明为另一个类的友元，那么这个友元类可以访问该类的私有和保护成员。然而，这种访问权限不会被继承到派生类中。即使基类的成员函数被声明为子类的友元，也不能访问子类的私有和保护成员。

下面是一个示例，说明友元关系不能继承的情况：

#include <iostream>
using namespace std;
class Student;
class Person
{
public:
  friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
  string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
  int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
  cout << p._name << endl;
  cout << s._stuNum << endl;//基类友元不能访问子类私有和保护成员
}
void main()
{
  Person p;
  Student s;
  Display(p, s);
}

在这个示例中，Display 函数是 Person 的友元函数，它可以访问 Person 类的私有和保护成员，但不能访问 Student 类的私有和保护成员。

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

#include <iostream>
using namespace std;
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
};
void TestPerson()
{
  Student s1;
  Student s2;
  Student s3;
  Graduate s4;
  cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
  Student::_count = 0;
  cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}

在以上创建对象的过程中，Person 类的构造函数会被调用，每次创建一个对象，_count 会增加一次。由于 Student 和 Graduate 都是 Person 的派生类，因此它们的构造函数也会自动调用基类 Person 的构造函数，导致 _count 增加。

然后，通过 Student::_count = 0; 将 Student 类的 _count 设置为零。这不会影响 Person::_count，因为 _count 是静态成员变量，它在整个类层次结构中是共享的。

复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

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

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

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

#include <iostream>
using namespace std;
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
};
void Test()
{
  // 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";
  // 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 = "xxx";
  a.Teacher::_name = "yyy";
}

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

#include <iostream>
using namespace std;
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";
}

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

为了研究虚拟继承原理，我们给出了一个简化的菱形继承继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型。

#include <iostream>
using namespace std;
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::_a = 1;
  d.C::_a = 2;
  d._b = 3;
  d._c = 4;
  d._d = 5;
  return 0;
}

下图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：这里可以分析出D对象中将A放到的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，指向的一张表。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

因为D中的B和C记录了公共A，所以通过通过B和C是可以通过偏移量的值来找到公共A，但同样可以直接使用D直接访问公共A，如d._a

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释

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，很多后来的语言都没有多继承，如Java。
   
3. 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。

※ 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。

组合示例：

考虑一个图书馆系统，其中有两个主要类：Library（图书馆）和 Book（图书）。

class Book {
private:
    string title;
    string author;
public:
    Book(const string& title, const string& author)
        : title(title), author(author) {}
    string getTitle() const {
        return title;
    }
    string getAuthor() const {
        return author;
    }
};
class Library {
private:
    vector<Book> books;
public:
    void addBook(const Book& book) {
        books.push_back(book);
    }
    void displayBooks() {
        for (const Book& book : books) {
            cout << "Title: " << book.getTitle() << ", Author: " << book.getAuthor() << endl;
        }
    }
};

在这个示例中，Library 类组合了多个 Book 对象作为其成员，形成了一个图书馆。每个图书馆可以拥有多本图书，但图书与图书馆是独立的实体。这是一个典型的组合关系。

继承示例：

考虑一个动物分类系统，其中有一个基类 Animal（动物）和两个派生类 Dog（狗）和 Cat（猫）。

class Animal {
protected:
    string name;
public:
    Animal(const string& name) : name(name) {}
    virtual void makeSound() const {
        cout << "Some generic animal sound." << endl;
    }
};
class Dog : public Animal {
public:
    Dog(const string& name) : Animal(name) {}
    void makeSound() const override {
        cout << "Woof! Woof!" << endl;
    }
};
class Cat : public Animal {
public:
    Cat(const string& name) : Animal(name) {}
    void makeSound() const override {
        cout << "Meow! Meow!" << endl;
    }
};

在这个示例中，Dog 和 Cat 类继承自 Animal 类，表现出“is-a”关系。Animal 类作为基类，定义了共有的属性和方法，而派生类 Dog 和 Cat 分别扩展了 makeSound 方法以实现不同的动物叫声。这是一个典型的继承关系。

什么时候用继承？什么时候用组合？

选择何时使用继承或组合取决于问题的性质、类之间的关系以及代码的设计目标。下面是一些指导原则，可以帮助您在使用继承和组合之间做出决策：

使用继承的情况：

1. “is-a”关系： 当派生类是基类的一种特化时，表现出明确的“is-a”关系，通常使用继承。例如，Cat 和 Dog 是 Animal 的特例。
2. 代码重用： 如果多个类具有共同的属性和方法，可以将它们放在一个基类中，并通过继承来共享代码。这有助于避免重复编写相同的代码。
3. 多态性需求： 如果您希望能够以统一的方式处理多个类的对象，并在运行时选择调用适当的方法，使用继承可以实现多态性。
4. 扩展功能： 当需要在基类的基础上添加新的属性和方法时，使用继承可以方便地扩展现有功能。

使用组合的情况：

1. “拥有”关系： 当一个类包含其他类作为其组成部分时，通常使用组合。例如，一个汽车包含引擎、轮胎等作为其组成部分。
2. 灵活性和动态配置： 如果需要在运行时动态地组合不同的部件，使得一个对象可以包含不同类型的成员，使用组合可以提供更大的灵活性。
3. 避免继承的复杂性： 继承可能会导致类层次结构变得复杂，特别是在多层次继承的情况下。组合可以减轻这种复杂性，使代码更易于理解和维护。
4. 解耦合： 使用组合可以实现更低耦合的设计，因为成员对象可以是独立的实体，修改一个类不会直接影响其他类。

选择何时使用继承或组合取决于问题的性质、类之间的关系以及代码的设计目标。下面是一些指导原则，可以帮助您在使用继承和组合之间做出决策：

使用继承的情况：

1. “is-a”关系： 当派生类是基类的一种特化时，表现出明确的“is-a”关系，通常使用继承。例如，Cat 和 Dog 是 Animal 的特例。
2. 代码重用： 如果多个类具有共同的属性和方法，可以将它们放在一个基类中，并通过继承来共享代码。这有助于避免重复编写相同的代码。
3. 多态性需求： 如果您希望能够以统一的方式处理多个类的对象，并在运行时选择调用适当的方法，使用继承可以实现多态性。
4. 扩展功能： 当需要在基类的基础上添加新的属性和方法时，使用继承可以方便地扩展现有功能。

使用组合的情况：

1. “拥有”关系： 当一个类包含其他类作为其组成部分时，通常使用组合。例如，一个汽车包含引擎、轮胎等作为其组成部分。
2. 灵活性和动态配置： 如果需要在运行时动态地组合不同的部件，使得一个对象可以包含不同类型的成员，使用组合可以提供更大的灵活性。
3. 避免继承的复杂性： 继承可能会导致类层次结构变得复杂，特别是在多层次继承的情况下。组合可以减轻这种复杂性，使代码更易于理解和维护。
4. 解耦合： 使用组合可以实现更低耦合的设计，因为成员对象可以是独立的实体，修改一个类不会直接影响其他类。

综上所述，继承和组合都有自己的优势和适用场景。在设计时，您应该根据问题的性质和需求来选择最合适的方法。通常情况下，优先选择组合，因为它可以带来更大的灵活性和解耦合，只有在确实存在“is-a”关系，并且需要多态性等特性时才使用继承。