C++ 继承机制详解与实战

如果我们运用继承呢？将公共的成员都放到 Person 类中，Student 和 Teacher 都继承 Person，就可以复用这些成员，不需要重复定义了。

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 = "张三";
    string _address;
    string _tel;
    int _age = 18;
};

class Student : public Person {
public:
    // 学习
    void study() {
        // ...
    }
protected:
    int _stuid;
};

class Teacher : public Person {
public:
    // 授课
    void teaching() {
        // ...
    }
protected:
    string title;
};

int main() {
    Student s;
    Teacher t;
    s.identity();
    t.identity();
    return 0;
}

简单来说，未用继承之前，Student 和 Teacher 各过各的；继承后，两者同时复用了 Person 类的功能。

1.2 继承的定义

1.2.1 定义格式

在上述描述中，我们称 Person 是基类，也称作父类；Student 是派生类，也称作子类。

在此之前，我们一直认为 private 与 protected 限定符的作用是相同的。现在需要正式说明一下：两者在同一个类中的作用确实是一样的，只有在继承时会有不同的效果，即会影响派生类对基类成员的访问权限。

继承方式和访问限定符一样，也分为三种：public 继承、protected 继承、private 继承。

1.2.2 继承基类成员访问方式的变化

表看起来很复杂，其实不用死记，理解下面的总结就行：

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虽然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的。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可以总结一下：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遵循 Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，优先级为 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。不过最好显式地写出继承方式。
5. 在实际运用中一般使用的是 public 继承，几乎很少使用 protected / private 继承，也不提倡使用，因为 protected / 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。

1.3 继承类模板

在我们之前学习 stack 的时候，说它是容器适配器，底层是一个 vector。那可不可以用 stack 来继承 vector 呢？答案是肯定的。

namespace sxn {
template<class T>
class stack : public std::vector<T> {
public:
    void push(const T& x) {
        push_back(x);
    }
    void pop() {
        pop_back();
    }
    const T& top() {
        return back();
    }
    bool empty() {
        return empty();
    }
};
}

int main() {
    sxn::stack<int> st;
    st.push(1);
    st.push(2);
    st.push(3);
    while (!st.empty()) {
        cout << st.top() << " ";
        st.pop();
    }
    return 0;
}

但是，为什么运行时这种结果呢？这个时候，我们就要提一下前面文章说过的，类模版是按需实例化。

具体来说：当定义类模板时，编译器不会立即生成具体类型的类代码，只会对模板本身的语法进行检查。只有当程序中实际使用了类模板的某个具体实例，并且需要用到该实例的特定成员（如成员函数、成员变量）时，编译器才会为对应的类型和成员生成具体代码。未被使用的模板成员不会被实例化，这有助于减少最终生成的目标代码体积，并避免因某些未使用的成员不满足特定类型要求而导致的编译错误。

所以：基类是类模板时，需要指定一下类域，否则编译报错。因为 stack<int> 实例化时，也实例化了 vector<int>，但是模版是按需实例化，push_back 等成员函数未实例化，所以找不到。

故正确的代码如下：

namespace sxn {
template<class T>
class stack : public std::vector<T> {
public:
    void push(const T& x) {
        // 基类是类模板时，需要指定一下类域
        vector<T>::push_back(x);
    }
    void pop() {
        vector<T>::pop_back();
    }
    const T& top() {
        return vector<T>::back();
    }
    bool empty() {
        return vector<T>::empty();
    }
};
}

int main() {
    sxn::stack<int> st;
    st.push(1);
    st.push(2);
    st.push(3);
    while (!st.empty()) {
        cout << st.top() << " ";
        st.pop();
    }
    return 0;
}

二、基类和派生类间的转化

1. 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。
2. 基类对象不能赋值给派生类对象。
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。

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

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

int main() {
    Student sobj;
    // 1. 派生类对象可以赋值给基类的指针/引用
    Person* pp = &sobj;
    Person& rp = sobj;
    // 派生类对象可以赋值给基类的对象，它是通过调用后面会讲解的基类的拷贝构造完成的
    Person pobj = sobj;
    
    // 2. 基类对象不能赋值给派生类对象，这里会编译报错
    // sobj = pobj; 
    return 0;
}

三、继承中的作用域

3.1 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。（注意区分与重载的不同）
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。

// Student 的_num 和 Person 的_num 构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person {
protected:
    string _name = "小雷子";
    int _num = 072;
};

class Student : public Person {
public:
    void Print() {
        cout << " 姓名:" << _name << endl;
        cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;
        cout << " 学号:" << _num << endl;
    }
protected:
    int _num = 520;
};

int main() {
    Student s1;
    s1.Print();
    return 0;
}

有点类似于一个人有双重身份，可以这么理解。

3.2 考察继承作用域相关选择题

3.2.1 下面 A 和 B 类中的两个 func 构成什么关系（）

A. 重载 B. 隐藏 C.没关系

3.2.2 下面程序的编译运行结果是什么（）

A.编译报错 B.运行报错 C.正常运行

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.fun();
    return 0;
};

答案：A（编译报错）

解释：A 和 B 类中的两个 func 函数的关系，我们可能在疑惑为什么不选 A（重载）。我们要清楚，重载是在同一个作用域内，基类和派生类是两个不同的作用域。又因为函数名相同，所以是隐藏。对于 b.fun(10); 没有任何问题，调用派生类中的函数；但是，b.fun(); 调用哪个函数？有人说调用基类的呗，但基类被隐藏了呀，所以，只能调用派生类中的 fun 函数。但是编译器在语义分析时发现函数调用与类定义不匹配，直接报错。语义分析属于编译阶段，所以为编译错误。

四、派生类的默认成员函数

4.1 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。
3. 派生类的 operator= 必须要调用基类的 operator= 完成基类的赋值。需要注意的是派生类的 operator= 隐藏了基类 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。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。

不难看出，我们是将继承的基类的成员变量当做一个整体，调用基类的构造/赋值……

示意图：

这里还是比较绕的，所以我们在来简单的总结一下：

默认生成的构造函数的行为：内置类型 -> 不确定 自定义类型 -> 调用默认构造 继承父类成员看做一个整体对象，要求调用父类的默认构造 对于赋值重载、析构类似。

接下来，我们来简单的练习一下，首先，我们先来简单实现一个 Person 类（我们下面说的情况都是 public 继承）：

class Person {
public:
    Person(const char* name = "joke") : _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;
};

实现不是重点，然后我们用 Student 类来继承：

class Student : public Person {
public:
    Student(const char* name, int num) : Person(name), _num(num) {
        cout << "Student()" << endl;
    }
    Student(const Student& s) : Person(s), _num(s._num) {
        cout << "Student(const Student& s)" << endl;
    }
    Student& operator=(const Student& s) {
        cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
        if (this != &s) {
            // 构成隐藏，所以需要显示调用
            Person::operator=(s);
            _num = s._num;
        }
        return *this;
    }
    ~Student() {
        cout << "~Student()" << endl;
    }
protected:
    int _num;
};

简单说明：

然后我们在加上主函数来调试一下代码，加深理解。

int main() {
    Student s1("jack", 18);
    Student s2(s1);
    Student s3("rose", 17);
    s1 = s3;
    return 0;
}

Student s1("jack", 18); 执行过程：

其他的可自行调试。

4.2 实现⼀个不能被继承的类

方法 1：基类的构造函数私有，派生类的构成必须调用基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派生类看不见就不能调用了，那么派生类就无法实例化出对象。（当然，在这种请况下，基类也无法实例化出对象）。

方法 2：C++11 新增了⼀个 final 关键字，final 修改基类，派生类就不能继承了。

// C++11 的方法
class Base final {
public:
    void func5() {
        cout << "Base::func5" << endl;
    }
protected:
    int a = 1;
private:
    // C++98 的方法
    /*Base() {}*/
};

class Derive : public Base {
    void func4() {
        cout << "Derive::func4" << endl;
    }
protected:
    int b = 2;
};

int main() {
    Base b;
    Derive d;
    return 0;
}

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私有和保护成员。这个也好理解。我们可以来演示一下：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Student;
class Person {
public:
    friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
    string _name;
};

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

void Display(const Person& p, const Student& s) {
    cout << p._name << endl;
    cout << s._stuNum << endl;
}

int main() {
    Person p;
    Student s;
    Display(p, s);
    return 0;
}

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。无论派生出多少个派生类，都只有一个 static 成员实例。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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;
}

七、多继承及菱形继承问题

7.1 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。

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。支持多继承就一定会有菱形继承，像 Java 就直接不支持多继承，规避掉了这里的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。

我们来简单写一个菱形继承：

class Person {
public:
    string _name;
};

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

class Teacher : public Person {
protected:
    int _id;
};

class Assistant : public Student, public Teacher {
protected:
    string _majorCourse;
};

在主函数中使用：

int main() {
    Assistant a;
    a._name = "peter";
    return 0;
}

这样写的话就会编译报错：对'_name'的访问不明确。 所以我们要：

int main() {
    Assistant a;
    // 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;
}

也可以说，此时此刻在对象 a 中存储的是：

7.2 虚继承

有上述可知，菱形继承会造成数据冗余和二义性的问题，正如很多人说 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，性能也会有些损失，所以最好不要设计出菱形继承。多继承可以认为是 C++ 的缺陷之一，后来的一些编程语言都没有多继承，如 Java。

在虚继承我们会引入一个新的关键字 virtual，我们直接来使用：

class Person {
public:
    string _name;
    // ...
};

// 使用虚继承 Person 类
class Student : virtual public Person {
protected:
    int _num;
};

// 使用虚继承 Person 类
class Teacher : virtual public Person {
protected:
    int _id;
};

// 教授助理
class Assistant : public Student, public Teacher {
protected:
    string _majorCourse;
};

int main() {
    // 使用虚继承，可以解决数据冗余和二义性
    Assistant a;
    a._name = "bob";
    return 0;
}

但是虚继承远远没有我们想象的这么简单，加个 virtual 就完了，菱形虚拟继承以后，无论是使用还是底层都会复杂很多，所以我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承。当然有多继承语法支持，就一定存在会设计出菱形继承，像 Java 是不支持多继承的，就避开了菱形继承。

菱形虚拟继承我们也可以这样理解（以上述代码为例），_name 直接就在 Assistant 类中，而不属于 Student 或者 Teacher 类：

所以，尽量不要设计出菱形虚拟继承，我们来看一下下面这个例子，就知道就多复杂了：

class Person {
public:
    Person(const char* name) : _name(name) {}
    string _name;
};

class Student : virtual public Person {
public:
    Student(const char* name, int num) : Person(name), _num(num) {}
protected:
    int _num;
};

class Teacher : virtual public Person {
public:
    Teacher(const char* name, int id) : Person(name), _id(id) {}
protected:
    int _id;
};

class Assistant : public Student, public Teacher {
public:
    Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3)
        : Person(name3), Student(name1, 1), Teacher(name2, 2) {}
protected:
    string _majorCourse;
};

int main() {
    // 思考一下这里 a 对象中_name 是"张三", "李四", "王五"中的哪一个？
    Assistant a("张三", "李四", "王五");
    return 0;
}

我们直接来看调试：

即 a 对象中_name 是"王五"。

7.3 多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是 ()

A：p1==p2==p3 B：p1<p2<p3 C：p1==p3!=p2 D：p1!=p2!=p3

class Base1 {
public:
    int _b1;
};

class Base2 {
public:
    int _b2;
};

class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
    int _d;
};

int main() {
    Derive d;
    Base1* p1 = &d;
    Base2* p2 = &d;
    Derive* p3 = &d;
    return 0;
}

答案是：C

详解：

菱形虚拟继承在 IO 库中也有使用，有兴趣的可以了解了解。

八、继承和组合

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

就像我们本篇文章前面用 stack 来继承 vector 一样，当然我们也可以用 has-a 的关系，标准库也是这样实践的。

总结

继承为后续学习多态打下了坚实基础，是深入理解 C++ 面向对象编程的关键一步。合理运用继承机制，能够让我们设计出更加优雅、可扩展的代码结构。