C++继承

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。

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18; // 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 Print()
	{
		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 s;
	Teacher t;
	s.Print();
	t.Print();
	return 0;
}

• 细心的小伙伴会发现，我们在上面定义类成员变量的时候，用到的访问限定符并不是private而是protect。在我们刚讲类的时候我们默认式认为private和protect是一样的使用，也就是在当时我们认为这两种访问限定符是一样的使用效果，所以当时我们常用的访问限定符式private。但是在到继承这一快了，就显现出他们两个的不同之处了。

1.2 继承定义

1.2.1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

这里可以不写继承方式，默认式private私有继承。

1.2.2继承关系和访问限定符

1.2.3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：

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。
2. 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。
3. 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。
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
   最好显示的写出继承方式。
5. 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。

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
//protected://这里把保护改成私有
private:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	Student()
	{
		cout << _name << endl;//改成私有之后派生类（子类）就访问不到基类（父类）的成员了，就会报错了
	}
protected:
	int _stuid; // 学号
};

2.基类和派生类对象赋值兼容转换

• 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。
• 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）

这里为什么叫做赋值兼容转换呢？

int a = 10;
const double& b = a;

• 从上述代码可以得出的结论就是，隐式类型转换是会生成临时变量，临时变量是具有常属性的，所以上述代码的引用前面需要加上const修饰这个临时的变量。
• 但是在派生类对象赋值给基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用的时候是不会不会生成临时对象的，而是通过赋值的方式直接将子类的数据给到父类。
  
• 因为子类是继承父类而来的（前提是通过public继承方式）所以子类是拥有父类的所有成员变量，所以在派生类对象赋值给基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用的时候这里用切片更好理解，是将子类中父类的成员变量切割出来，再赋值回去，所以叫做赋值兼容转换。

class Person
{
protected:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	int _No; // 学号
};

void Test()
{
	Student sobj;
	// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	Person pobj = sobj;
	Person& rp = sobj;//从这里就可以看出，这里并没有生成临时变量，如果生成了，就要再最前面加上const进行修饰
}

3.继承中的作用域

1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
2. 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。
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。

class Parent
{
protected:
	int _age = 20;
};

class Child : public Parent
{
public:
	void func()
	{
		cout << _age << endl;
		cout << Parent::_age << endl;
	}
protected:
	int _age = 21;
};

int main()
{
	Child d;
	d.func();
	return 0;
}

好，接下来我们看一下下面这段代码：

class A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		A::fun();
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};

问题：A类和B类中这两个fun函数构成什么关系。

a：没有关系。b：重载。c：重写。d：隐藏

这里a具有很大的疑惑性，同样的b也有同样的疑惑。
但是你说a没有关系吧，但是B继承了A，但是你说b吧，重载的其中一个条件就是再同一个作用域，显然两个fun分别再不同的作用域里面，所以可以排除a和b，c我们还没学也直接排除掉，所以只能选择d隐藏。

答案：如果是成员函数，只要函数名相同就构成隐藏，返回值和参数可以不相同

4.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=完成基类的复制。
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

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:

protected:
	int _id;
};

当派生类中什么多没写的时候

这会看到调用了基类的默认构造和析构。

• 在我们刚开始学习类并讲解6个默认成员的时候。
  1. 内置类型会被设置位随机值
  2. 自定义类型会调用它的默认构造
  3. 所以到了继承这里我们要把继承过来的基类看成是一个大的自定义类型，所以会调用它的默认构造。

1. 默认构造
   那如果我们要在派生类中自己写默认构造呢？

class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int id)//直接在派生类中构造基类中的成员变量。
		:_name(name)
		, _id(id)
	{}
protected:
	int _id;
};

但是报错了。

原因是，虽然派生类继承了基类的成员变量，但是派生类并不能对继承过来的成员变量进行初始化，而是要基类自己进行初始化，而如果要在派生类中初始化基类中的成员变量，就要显示调用基类的默认构造。

class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int id)
		: _id(id)
		, Person(name)//显示调用基类的默认构造
	{}
protected:
	int _id;
};

那么，思考一个问题就是，先构造父类的还是先构造子类的呢？
再学初始化列表的时候我们学了，初始化列表初始化顺序是按照变量的声明顺序初始化的，显然父类是比子类更先声明的，所以一定是先构造父类，再构造子类。

2. 拷贝构造
   
   同样的我们不写自定义类型调用编译器自动生成的，内置类型调用它的拷贝构造，基类调用它的拷贝构造。

//基类的拷贝构造
Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}

//派生类的拷贝构造
Student(const Student& s)
		:_id(s._id)
		,Person(s)//直接传s本身过去，因为赋值兼容转换的缘故，这里会将s中基类的部分切割过去再实现基类的拷贝构造
	{}

3. 赋值拷贝
   
   这里的情况也是同样的道理。

Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			_id = s._id;
			Person::operator=(s);//这里要注意要加上基类的作用域，因为派生类的operator=和基类的operator=构成隐藏关系
		}
		return* this;
	}

4. 析构
   有了上面的铺垫，我们也差不多搞明白它的套路了。

~Student()
{
	~Person(););//显示调用基类的析构函数（前面章节中我们讲过，析构函数是可以显示调用的）
}

但是这里我们调用不到基类的析构函数。

这里同样也是一个特殊处理。
这里子类和父类的析构函数构成隐藏关系。 由于后面多态的原因，析构函数别特殊处理，函数名都会被统一处理成destructor()

~Student()
{
	Person::~Person(););//所以这里要加作用域显示调用基类的析构函数
}

但是这里会发现析构了两次Person。

这里同样做了特殊处理。
编译器为了先调用子类的析构在调用基类的析构函数，父类的析构函数会在子类析构后自动调用

构造：先父后子。
析构：先子后父。这样做是因为如果先清理了父类的数据，可能子类还需要用到父类的数据，就存在安全隐患。

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子类私有和保护成员

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

class Student : public Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);//如果要放访问派生类中的成员，也得成为派生类的朋友。
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

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

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。无论派生出多少个子
类，都只有一个static成员实例 。

这个方法可以用来计算实例化了多少个对象。

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
};
int  main()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	return 0;
}

7.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

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()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter";	// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
	// 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";
	return 0;
}

虽然加上作用域暂时解决了二义性的问题，但是并没有解决冗余性的问题。比如这里的Person类，如果不仅仅只有_name这一个成员变量呢？如果还有像_age年龄，_addr家庭住址这样的只有唯一性的数据呢？这样子还需要存放两份吗？

• 为了解决这个问题，引入了虚继承这个概念。
  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。

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
};
int main()
{
	Assistant a;
	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
	a._name = "peter";
}

从上面我们可以看到这个时候_name只存了一份，解决了代码冗余和二义性。

我们底层来了解一下虚继承的实现。

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;
}

如果我们写成虚继承的方式呢？


从上面我们确实看到了A中的变量只存了一份。
而且最奇怪的是3和4上面的是什么呢？

• 我们发现存的是A的偏移量。
  所以我们把这个存放了一个指针指向的一个表叫做偏移量表/虚基表。
  不仅D是这样存放的B和C也是这样存的。
  
  下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：

8.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
   • 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。