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【C++】继承 - 从基类到派生类的代码复用逻辑

_孙同学

发布于 2025-04-14 01:14:16

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代码可运行

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代码可运行

一. 继承的概念及定义

1.1继承的概念

继承机制是面向对象程序设计使代码可以复用的手段，它允许我们在保持原有类基础上面拓展，增加方法（成员函数）和属性（成员变量），这样产生新的类，称为派生类。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。下面是没有继承之前实现的两个类，一个是student一个是teacher，它们两个都有姓名，年龄，电话，地址相同的变量，都有identity身份认证的成员函数，设计到两个类里面就是冗余的。它们也有不同的成员函数和变量，比如老师独有的成员变量是职称，学生独有的成员变量是学号。学生独有的成员函数是学习，老师独有的成员函数是授课。

class Student
{
public:
    // 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 
    void identity()
    {
        // ...
    }
    // 学习 
    void study()
    {
        // ...
    }
protected:
    string _name = "peter"; // 姓名 
    string _address; // 地址 
    string _tel; // 电话 
    int _age = 18; // 年龄 
    int _stuid; // 学号 
};

class Teacher
{
public:
    // 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 
    void identity()
    {
        // ...
    }
    // 授课 
    void teaching()
    {
        //...
    }
protected:
    string _name = "张三"; // 姓名 
    int _age = 18; // 年龄 
    string _address; // 地址 
    string _tel; // 电话 
    string _title; // 职称 
};
int main()
{
    return 0;
}

我们将公共的成员放到person中student和teacher都继承person，就可以复用这些成员，就不需要重复定义了，省去了很多麻烦。

class Person
{
public:
    void print()
    {
        cout << "name:" << _name << endl; //通过函数可以间接访问私有成员
        cout << "age:" << _age << endl;
    }
protected:
    string _name = "张三"; // 姓名 
    string _address; // 地址 
    string _tel; // 电话 
    int _age = 18; // 年龄 
};
class Student : public Person
{
public:
    // 学习 
    void study()
    {
        // ...
    }
protected:
    int _stuid; // 学号 
};
class Teacher : public Person
{
public:
    // 授课 
    void teaching()
    {
        //...
    }
protected:
    string title; // 职称 
};
int main()
{
    Student s;
    Teacher t;
    s.print();
    t.print();
    return 0;
}

1.2 继承的定义

1.2.1 定义格式

下面我们看到的Person类是基类，也称作父类，Student是派生类，也称作子类

1.2.2 继承基类成员访问方式的变化

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（物理上被继承了下来，但是语法上不能使用），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，基类的私有成员在派生类都是不可见。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。
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。

1.3 继承类模板

用vector实现一个栈

amespace mystack
{
	//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 std::vector<T>
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域， 
			// 否则编译报错:error C3861: “push_back”: 找不到标识符 
			// 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了 
			// 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 
			vector<T>::push_back(x); //vector里面有push_back()直接用
			//push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			vector<T>::pop_back();
		}
		const T& top()
		{
			return vector<T>::back();
		}
		bool empty()
		{
			return vector<T>::empty();
		}
	};
}
int main()
{
	mystack::stack<int> st;  //按需实例化  这里stack实例化了之后会实例化vector 但没有实例化push_back()，所以类模板继承的时候要指定一下
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	return 0;
}

template<class Container>
void print(const Container& c)
{
	//const_iterator可能是静态成员变量，也可能是内嵌类（内部类，typedef）
	//typename Container::const_iterator it = c.begin();//这里为什么要加上typename(告诉编译器，后面的是类型),我们用类取这个东西有两种可能，有可能是静态成员变量，也有可能是内嵌类型
	auto it = c.begin();//简化方式          
	while (it ！= c.end())
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	vector<int> v1 = {1,2,3,4};
	list<int> l1 = {10,20,30,40};

	return 0;
}

二. 基类和派生类间的转换

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（复制兼容转换）。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。
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(Run-Tim Type Information)的dynamic_cast来进行识别后进行安全转换。

class Person
{
protected:
	string _name; // 姓名 
	string _sex; // 性别 
	int _age; // 年龄 
};
class Student : public Person
{
public:
	int _No; // 学号 
};
int main()
{
	Student sobj;
	//赋值兼容转换，特殊处理
	// 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

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;//指定一下就能访问到了
		cout << " 学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号 
};
int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();

	return 0;
};

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();//这里会编译报错
	b.A::fun();//这里要指定类域

	return 0;
};

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？

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。 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。

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:
	//默认构造
	Student(int num,const char* address, const char* name)
		:_num(num)
		,_address(address)
		,Person(name) //父类看作一个整体，就像调用匿名对象一样
		//初始化顺序是根据声明顺序走的，父类先声明的
	{}
	//拷贝构造
	Student(const Student& s)
		:Person(s) //切割/切片
		,_num(s._num)
		,_address(s._address)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	//赋值重载
	Student& operator = (const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator = (const Student& s)" << endl;
		if (this != &s)
		{
			_num = s._num;
			_address = s._address;
			Person::operator=(s);//把子类对象传给父类的指针或者引用，会自动把子类当中父类的那一部分切出来，会变成子类当中父类那部分的别名
		}
		return *this;
	}
	//析构：子类成员 内置类型（不用管） 自定义类型（调用它的析构） + 父类成员（调用它的析构）
	// 现实写不需要显示调用父类析构，子类析构结束会自动调用父类析构
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
		//delete[] _ptr;
		//Person::~Person();//派⽣类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系，所以要指定类域
		//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
	}

protected:
	int _num; //学号 
	string _address;
};

//特点：子类中继承下来的父类成员当成一个整体的对象、

//构造
//默认构造：内置类型（有缺省值就用缺省值，没有缺省值有可能是0，也有可能是随机值）和自定义类型（调用自定义类型的默认构造，没有默认构造就要显示写它的默认构造，显示写它的构造就要在初始化列表初始化）+ 父类成员（调用父类的默认构造）

//拷贝构造：内置类型（值拷贝）自定义类型（调用这个类型的拷贝构造） + 父类成员（调用父类的拷贝构造）

//赋值重载：类似于拷贝构造

//析构：如果有资源需要清理才需要显示写，此处我们不写默认生成的就够用
int main()
{
	//构造
	Student s1(18,"西安","张三");
	//拷贝构造
	Student s2(s1);
	//复制重载
	Student s3(19, "西安","李四");
	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化，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。 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

友元关系不能被继承，也就是说基类友元不能访问派生类私有和保护成员。

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;
}

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。

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，父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;
}

七. 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。

单继承

多继承

菱形继承

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

因为菱形继承会存在数据冗余和二义性，为了解决这个问题，我们在继承的腰部加上virtual关键字就不存在数据冗余和二义性了（虚继承）。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 
	/*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。

class Person
{
public:
	Person(const char* name)
		:_name(name)
	{}
	string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		:Person(name)
		, _num(num)
	{}
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
public:
	Teacher(const char* name, int id)
		:Person(name)
		, _id(id)
	{}
protected:
	int _id; // 职工编号
};
// 不要去玩菱形继承
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) 
		//难道Person的构造会走3次吗？
	{}
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 虚继承只有一份，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");
	//此时已经是虚继承了，所以不可能走3次构造，也就不会走Student和Teacher的构造，因为Student和Teacher中已经没有Person了

	return 0;
}

7.3 IO库中的菱形虚拟继承

template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>
class basic_ostream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};
template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>
class basic_istream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};

7.4 继承中指针偏移问题

p1 == p3 != p2

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;
}

一个类的特点是先声明的在前面,继承的特点是先继承的在前面，赋值兼容规则切割/切片，Base1和Base2都是父类，父类的指针可以指向子类的对象，只是指向子类对象时赋值兼容规则不会有类型转换，如果是指针，会指向子类中父类的一部分，如果是引用，会变成子类当中父类那一部分的别名。

八. 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。

class A
{};
class B
{

private:
	A _a;
};

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。
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。
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;
}