C++详细讲解继承与虚继承实现

目录

• 继承的概念及定义
• 概念：
• 定义：
• 继承关系和访问限定符
• 总结
• 基类和派生类对象赋值转换
• 继承中的作用域
• 派生类的默认成员函数
• 继承与友元
• 继承与静态成员
• 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
• 虚继承原理
• 继承的总结

继承的概念及定义

概念：

继承机制是面向对象程序设计为了提高代码复用率的一种手段，它可以保持原类特性的基础上进行拓展，简单来说继承是类层次的复用。

接下来我们来看一个简单的继承

class Person
{
public:
    void Print()
    {
        cout<<"name:"<<_name<<endl;
        cout<<"age:"<<_age<<endl;
    }
protected:
    string _name="zhao";
    int _age=18;
};
class Student : public Person
{
protected:
    int _stuid;
};
class Teacher :public Person
{
protected:
    int _jobid;
};

在上面这个类中继承后父类（Person）的成员都会变成子类的一部分。

定义：

格式：

class 子类：

public 父类{ }；

继承关系和访问限定符

继承基类成员访问方式的变化

总结

• 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，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。
• 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。

基类和派生类对象赋值转换

派生类对象可以赋值给基类的对象/指针/引用。这里有一个形象的书法叫做切片或切割

基类对象不能赋值给派生类对象

基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针。但是必须是基类的指针是指向派生类对象时才是安全地。

继承中的作用域

在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。

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，这种情况叫做隐藏，也叫作重定义。如果要访问父类的成员可以使用域作用限定符进行访问。

注意函数构成隐藏的话只需要函数名相同。

实际在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

派生类的默认成员函数

在这里又把类与对象中学的六个默认成员函数拉出来了，那么在继承体系中这几个成员函数是如何生成的呢？

• 构造函数：派生类的构造函数必须基类的构造函数初始化基类的那部分成员。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。
• 拷贝构造函数：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。
• 赋值重载：派生类operator=必须要调用基类的operator=完成基类的赋值。
• 析构函数：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。

简单的运用：

class Person
{
public:
    Person(const  char* name="zhao")
        :_name(name)
        {
            cout<<"父构造"<<endl;
        }
    Person(const Person& p)
        :_name(p.name)
        {
            cout<<"父拷贝构造"<<endl;
        }
    Person& operator=(const Person& p)
    {
        cout<<"父赋值重载"<<endl;
        if(this!=&p)
            _name=p.name;
        return *this;

    }
    ~Person()
    {
        cout<<"父析构"<<endl;
    }
protected:
    string _name;
};
class Student:public Person
{
public:
    Student(const char* name,int num)
        :Person(name)
        ,_num(num)
    {
        cout<<"子构造"<<endl;
    }
    Student(const Student& s)
        :Person(s)
        ,_num(num)
    {
        cout<<"子拷贝构造"<<endl;
    }
    Student& operator=(const Student& s)
    {
        cout<<"子赋值重载"<<endl;
        if(this!=&s)
        {
        //小心这里是隐藏
            Person::operator=(s);
            _num=s._num;
        }
        return *this;
    }
    //需要注意在这块~Student()和~Person()构成隐藏，这是由于多态的一些原因，任何类析构函数名都会被统一处理为destructor()
    ~Student()
    {
        cout<<"子析构"<<endl;
        //为了保证析构时，保持先子再父的后进先出的析构顺序，子类析构函数完成后，会自动去调用父类的析构函数。
    }
protected:
    int _num;

};

继承与友元

友元关系不能继承，也就是说基类友元不是子类的友元。

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。

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;
}

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。

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

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。

虚继承原理

虚继承实现：

在腰部两个继承之前加上关键字vittul,实现虚继承。

class Animal{
    public:
    int _a;
}
class Tuo:virtual public Animal
{
    public:
    int _b;
}
class Sheep:virtual public Animal
{
    public:
    int _c;
}
class SheepTuo:public B ,public C
{
    public:
    int _b;
}

要探究虚继承如何实现，需要借用VS的开发人员命令提示工具，在VS2019的工具->命令行->开发者命令提示中。cd到当前项目的目录，输入cl /d1reportSingleClassLayout"要查看的类名" “文件名”，在这里就是cl/d1reportSingleClassLayoutSheepTuo diamond_Inherit.cpp。可以看到当前类内存的结构。（编译后才能查看到内存分布）

这个图就是内存结构，可以看到，SheepTuo类中分别继承了来自Sheep类的vbptr（虚基类指针）和Tuo类的vbptr（虚基类指针）。这个虚基类指针指向的是一个虚基类表，可以在图中看到虚基类表中第一项存储的是vbptr与本类的偏移地址，也就是继承过来的Sheep类中初始位置就是存放Sheep类的的vbptr，在这里为0；第二项是本类的vbptr与虚基类的公有成员之间的偏移量，也就是Sheep的vbptr和Animal类的age之间偏移为8，Tuo的vbptr和age之间偏移量为4。对于虚基类的派生类，虚基类的偏移量由实际类型决定，因此在运行时才可以确定虚基类的地址。

指的注意的是，Sheep类中也是存放了一份age，在这里还可以看到，Sheep和Tuo的Size都是8，因为除了继承的age以外，还有Size为4的虚函数指针

因为class SheepTuo :public Sheep, public Tuo继承的时候，把Sheep和Tuo的vbptr都继承了，然后通过他们类距离虚基类中的公共成员age的偏移量发现他们指向的是同一个age，所以就不会拷贝两份，SheepTuo只保留一份age。至于虚继承底层实现原理则与编译器相关

继承的总结

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。

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

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

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