继承机制深度解析：从基础到进阶的完整指南

用户11286421

发布于 2024-11-21 14:27:49

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代码可运行

继承是面向对象编程（OOP）中最重要的特性之一，通过继承，子类可以复用父类的属性和方法，减少代码重复。继承使得类之间的层次结构清晰，并实现了代码的模块化和重用。

1. 继承的概念及定义

1.1 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的最重要的⼿段，它允许我们在保持原有类特性的基础上进⾏扩展，增加⽅法(成员函数)和属性(成员变量)，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。以前我们接触的函数层次的复⽤，继承是类设计层次的复⽤。

举例：

#include <iostream>

using namespace std;

// 创建一个基类，用于身份认证
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 << "身份认证成功" << endl;
    }

protected:
    string _name;
    int _age;
    string _address;
    string _tel;
};

// 学生类继承 Person
class Student : public Person
{
public:
    // 学习
    void study()
    {
        cout << "学生正在学习" << endl;
    }

protected:
    int _stuid; // 学号
};

// 教师类继承 Person
class Teacher : public Person
{
public:
    // 授课
    void teaching()
    {
        cout << "教师正在授课" << endl;
    }

protected:
    string _title; // 职称
};

int main()
{
    Student s;
    s.identity();
    s.study();

    Teacher t;
    t.identity();
    t.teaching();

    return 0;
}

1.2继承的定义：

1.2.1 定义格式

下⾯我们看到Person是基类，也称作⽗类。Student是派⽣类，也称作⼦类。(因为翻译的原因，所以既叫基类/派⽣类，也叫⽗类/⼦类)

1.2.2 继承基类成员访问方式的变化：

讨论了继承后成员的访问权限。例如，公有继承（public）、保护继承（protected）和私有继承（private）会影响基类成员在派生类中的访问权限。这部分内容有助于理解不同的继承方式对代码结构的影响。

1. 公有继承（public） 基类的 public 成员在子类中仍然是 public。基类的 protected 成员在子类中仍然是 protected。基类的 private 成员不可直接访问，但子类可以通过基类的 public 或 protected 成员函数间接访问。 2. 受保护继承（protected） 基类的 public 成员在子类中变为 protected。基类的 protected 成员在子类中保持 protected。基类的 private 成员不可直接访问，子类也不能直接访问。 3. 私有继承（private） 基类的 public 成员在子类中变为 private。基类的 protected 成员在子类中变为 private。基类的 private 成员不可直接访问，子类也不能直接访问。

上面三点可以总结成下面的这么一个表格

类成员/继承函数	public继承	protected继承	private继承
基类的public成员	派生类的pulic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	在派生类不可见	在派生类不可见	在派生类不可见

总结： 实际上⾯的表格我们进⾏⼀下总结会发现，基类的私有成员在派⽣类都是不可⻅。基类的其他成员在派⽣类的访问⽅式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承⽅式)，public>protected >private。 需要注意的是：

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。

// 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 << 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
};

1.3继续类模板

在C++中，可以对模板类进行继承。模板类继承在泛型编程中非常有用，允许派生类在不同数据类型上复用模板基类的功能。这部分会涉及模板继承的具体语法和一些例子，以展示如何通过模板实现通用功能。举例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类定义
class Animal {
public:
    // 公有成员函数
    void sound() {
        cout << "This is an animal sound." << endl;
    }
    
    // 虚函数，子类可以重写
    virtual void eat() {
        cout << "Animal is eating." << endl;
    }

protected:
    int age; // 受保护成员，可以被子类访问

private:
    int weight; // 私有成员，子类无法直接访问
};

// 派生类定义，继承自 Animal 类
class Dog : public Animal {
public:
    // 重写基类的虚函数
    void eat() override {
        cout << "Dog is eating." << endl;
    }

    // 新增子类特有的方法
    void bark() {
        cout << "Dog barks." << endl;
    }
};

int main() {
    Animal animal;
    Dog dog;

    // 调用基类方法
    animal.sound();
    animal.eat();

    // 调用子类方法
    dog.sound();          // 继承自基类的方法
    dog.eat();            // 调用子类重写后的方法
    dog.bark();           // 调用子类特有的方法

    return 0;
}

2. 基类和派生类间的转换

在继承体系中，基类和派生类之间可以相互转换。尤其是在多态环境中，这种转换变得尤为重要。在 C++ 中，基类和派生类之间的转换（类型转换）主要体现在指针和引用的转换。这种转换可以实现多态性，但需要遵循一些规则。这里介绍向上转换（将派生类转换为基类）和向下转换（将基类转换为派生类），并说明它们的用途及注意事项。

向上转型（Upcasting）：派生类的对象可以被视为基类的对象。这种转换是安全的，不会导致数据丢失，因为派生类包含了基类的所有成员。
向下转型（Downcasting）：将基类指针或引用转换为派生类。这种转换需要谨慎，通常使用动态类型识别（如C++中的dynamic_cast）来确保类型安全。

2.1 向上转换（Upcasting）

向上转换是指将派生类的指针或引用转换为基类的指针或引用。C++ 中，向上转换是隐式的，并且总是安全的，因为派生类包含基类的所有属性和方法。

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual void sound() {
        cout << "Animal sound" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void sound() override {
        cout << "Dog barks" << endl;
    }

    void bark() {
        cout << "Dog-specific behavior" << endl;
    }
};

int main() {
    Dog myDog;
    Animal* animalPtr = &myDog;  // 隐式向上转换
    animalPtr->sound();          // 调用的是 Dog 类的 sound，因为 sound 是虚函数
    // animalPtr->bark();        // 错误：基类指针不能访问派生类特有的成员

    return 0;
}

2.2 向下转换（Downcasting）

向下转换是指将基类的指针或引用转换为派生类的指针或引用。向下转换不如向上转换安全，因为基类并不一定包含派生类的所有信息。为了避免运行时错误，向下转换通常需要使用 C++ 的 dynamic_cast。

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual void sound() {
        cout << "Animal sound" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void sound() override {
        cout << "Dog barks" << endl;
    }

    void bark() {
        cout << "Dog-specific behavior" << endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animalPtr = new Dog; // 向上转换
    Dog* dogPtr = dynamic_cast<Dog*>(animalPtr); // 向下转换

    if (dogPtr) {
        dogPtr->bark(); // 安全访问 Dog 类特有的成员
    } else {
        cout << "Conversion failed" << endl;
    }

    delete animalPtr;
    return 0;
}

向上转换：隐式且安全，常用于多态场景，子类对象可以被赋值给基类指针或引用。
向下转换：需要显式进行，通常通过 dynamic_cast 或 static_cast，用来从基类指针访问派生类特有的功能。

3. 继承中的作用域

3.1 隐藏规则：

在继承体系中基类和派⽣类都有独⽴的作⽤域。
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）
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。

// 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 = "⼩李⼦"; // 姓名 
 int _num = 111; // ⾝份证号 
};
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 = 999; // 学号 
};
int main()
{
 Student s1;
 s1.Print();
 
 return 0;
};

3.2 考察继承作用域相关选择题

这部分包含一些选择题，通过考察不同情况下的代码表现帮助理解作用域规则。 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 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;
};

在这个代码示例中： class A 定义了一个无参的 fun 函数。 class B 继承自 A，并定义了一个有参的 fun(int i) 函数。在 C++ 中，如果派生类（B）中定义了与基类（A）同名但参数不同的函数，则该派生类中的函数会隐藏基类中的同名函数。这称为函数隐藏，而不是函数重载。

因此，第一题的正确答案是：B. 隐藏

在 main 函数中，b.fun(10); 调用的是 class B 中的 fun(int i) 函数，因此会输出 func(int i)10。

接着 b.fun(); 试图调用无参的 fun 函数。然而，由于 class B 中的 fun(int i) 隐藏了 class A 中的 fun()，编译器在 class B 中找不到无参的 fun 函数，从而导致编译错误。

因此，第二题的正确答案是：A. 编译报错

4. 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？

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。
派⽣类的拷⻉构造函数必须调⽤基类的拷⻉构造完成基类的拷⻉初始化。
派⽣类的operator=必须要调⽤基类的operator=完成基类的复制。需要注意的是派⽣类的operator=隐藏了基类的operator=，所以显⽰调⽤基类的operator=，需要指定基类作⽤域
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。

#include<iostream>
using namespace std;
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;
	}
	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; //学号
};
int main()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
	s1 = s3;
	return 0;
}

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，派⽣类看不⻅就不能调⽤了，那么派⽣类就⽆法实例化出对象。
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;
}

5. 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。

友元函数或友元类可以访问类的私有成员。在继承关系中，友元允许某些特殊的函数或类访问基类和派生类的内部细节。友元的合理使用能够提高类之间的协作效率，但不当使用可能破坏封装性。

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;
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	// 编译报错：error C2248: “Student::_stuNum”: ⽆法访问 protected 成员
	// 解决⽅案：Display也变成Student 的友元即可
	Display(p, s);
	return 0;
}

6. 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。

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;
	// 这⾥的运⾏结果可以看到⾮静态成员_name的地址是不⼀样的
	// 说明派⽣类继承下来了，基派⽣类对象各有⼀份
	cout << &p._name << endl;
	cout << &s._name << endl;
	// 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的
	// 说明派⽣类和基类共⽤同⼀份静态成员
	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;
	// 公有的情况下，⽗派⽣类指定类域都可以访问静态成员
	cout << Person::_count << endl;
	cout << Student::_count << endl;
	return 0;
}

7. 多继承及其菱形继承问题

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。我们常见的cout以及cin就是istream以及ostream两个的库通过菱形继承组成的

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()
{
	// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	// 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;
}

7.2 虚继承

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，性能也会有⼀些损失，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。

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()
{
	// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	// 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;
}
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	/*int _tel;
	* int _age;
string _gender;
string _address;*/
// ...
};
// 使⽤虚继承Person类
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
// 使⽤虚继承Person类
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id; // 职⼯编号
};
// 教授助理
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 使⽤虚继承，可以解决数据冗余和⼆义性
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	return 0;
}

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，⽆论是使⽤还是底层都会复杂很多。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。

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;
}

解析：

p1 是 Base1* 类型，指向 d 对象中 Base1 部分的地址。 p2 是 Base2* 类型，指向 d 对象中 Base2 部分的地址。 p3 是 Derive* 类型，指向整个 Derive 对象的起始地址。由于 Derive 对象的起始地址与 Base1 部分的起始地址相同，因此 p1 和 p3 实际上指向的是同一个地址。这是因为 Base1 是多重继承中第一个继承的基类，因此 Derive 对象的起始位置就是 Base1 子对象的位置。

相对的，p2 指向的是 Base2 的部分，位于 Derive 对象中 Base1 部分之后的位置，因此 p2 的地址与 p1 和 p3 不同。

8. 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。 • 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⻅。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。这种复⽤⻛格被称⿊箱复⽤(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可⻅的。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。 • 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。

// Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合has-a的关系
class Tire {
protected:
	string _brand = "Michelin"; // 品牌
	size_t _size = 17; // 尺⼨
};
class Car {
protected:
	string _colour = "⽩⾊"; // 颜⾊
	string _num = "陕ABIT00"; // ⻋牌号
	Tire _t1; // 轮胎
	Tire _t2; // 轮胎
	Tire _t3; // 轮胎
	Tire _t4; // 轮胎
};
class BMW : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};
// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class Benz : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};
template<class T>
class vector
{};
// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class stack : public vector<T>
{};
template<class T>
class stack
{
public:
	vector<T> _v;
};
int main()
{
	return 0;
}

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