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C++单继承 多继承

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前言

C++的继承机制相对其他语言是比较复杂的一种，不同于java只支持单继承，C++不仅支持单继承，也支持多继承，对于多继承中的菱形问题会引发一系列的麻烦，C++的两个重要缺陷，一个是多继承，一个是垃圾回收器。本文将详细讲解C++的单继承和多继承，以及菱形继承的解决方法及原理。

1.继承的概念和定义

(1)继承的概念

继承是面向对象设计使代码可以复用的重要手段，它允许程序员在保持原有类的基础上进行扩展。被扩展的类称为基类或者父类，扩展生成的类叫做子类或者派生类，继承是类设计层次的复用。

继承的作用是使得子类中既包含父类的成员，也可以包含自己的成员。

(2)继承的定义方法

class Person
{
private:
	string _name;
	int _age;
};
class Student :public Person
{
private:
	int _id;
};

看这一段代码，其中子类Student继承了父类Person，Student后的public表示的是继承方式。

(2)继承后子类的成员类型

继承方式和父类的成员属性共同决定了子类中的成员属性。我们用一张表来表示三者之间的关系。

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成员派生类中不可见派生类中不可见派生类中不可见

我们只需要两点来记忆这个表格：

1.基类的private成员在派生类中无论以什么方式继承都是不可见的。

2.子类中的成员属性取继承方式和父类成员属性中权限小的那个： public>protected>private

表格的说明：

1.不可见的意思不是没有被继承，而是不能使用，在底层继承下来比没有继承下来更方便。

2.在父类中private和protected没有区别，但是在子类中，protected成员可以在类内访问，而private不能，因此可以说protected是为了继承而存在的。

3.如果不写继承方式，如果子类是class定义的，那么默认为private继承，是struct定义的，默认是public继承。

4.不可见与private成员区别：不可见指的是在类内与类外都不能使用，private成员在类内可以使用，在类外不可以使用。

5.不想给子类访问的成员我们设成private。

2.基类与派生类的赋值转换

(1)派生类赋值给基类

在这里插入图片描述

我们定义了一个父类person和它的派生类student，以上是它们各自的成员。

当我们将一个派生类的对象赋值给基类的对象时，发生的过程我们称之为切片。即只将子类中父类成员赋值过去。当父类中有private成员时，同样会进行切片，只是不显示而已，因此继承中尽量不要定义私有成员。

注意，这种赋值兼容方式仅限于公有继承。

私有继承不支持切片，这是因为对于父类中的public成员，私有或保护继承之后会转变成private/protected类型，而赋值时会发生将派生类对象中的private/protected成员赋值给父类对象中的public成员的现象，但是private/protected成员在类外是不能被访问的，因此不支持私有继承。

	Person b;
	Student a;
	b = a;
	Person* ptr = &a;
	Person& ref = a;

注意一个细节，我们可以使用引用赋值，说明这里并不存在类型转换的行为，因为类型转换中间会产生临时变量，需要使用const引用。

double d;
const int& r=d;//发生了类型转换。

(2)基类给派生类

先说结论：

父类对象不可以直接赋值给子类对象。

这是因为子类对象中有父类不存在的类型，无法进行赋值。也不能通过所谓的强制类型转换进行赋值。

但是C++支持指针和引用的赋值：

	Person b;
	Student a;
	a = (Student)b;//不正确
	Student* ptr = (Student*)&b;//支持
	Student& ref = (Student&)b;//支持

虽然指针和引用可以，但是当指针向下访问的时候超过父类对象的时候会出现问题。

在这里插入图片描述

会出现指向空的情况。

3.继承中的作用域

(1)隐藏的概念

基类和派生类都有各自独立的作用域。

如果不同的域内有同名的成员，我们根据就近原则或者指定作用域的方式来指定成员的位置。

隐藏：子类与父类中出现同名成员，子类成员将屏蔽父类成员对同名成员进行直接访问，这种情况叫隐藏，也叫重定向。

注意如果是成员函数的隐藏，只要函数名相同就会构成隐藏，与参数无关。

举一个例子：

class Person
{
protected:
	string _name = "小六子";
	int _num = 111;
};
class Student :public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "姓名：" << _name << endl;
		cout << "SFZ号：" << Person::_num << endl;
		cout << "学号：" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999;
};
int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();
}

在这段代码中，Person和Student分别定义了_num，当子类对象中的成员函数直接访问_num时，根据的是就近原则，访问的是子类中的_num，当要访问父类中的_num时，需要使用::来指定类域，就可以进行访问。父类中的_num与子类中的_num构成隐藏。

这段代码打印的结果是：

在这里插入图片描述

(2)例题

这里有一道小小的题目，是关于函数隐藏的：

class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "func" << endl;
	}
};
class B :public A
{
public:
	void func(int i)
	{
		A::func();
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};
void Test()
{
	B b;
	b.func(10);
	b.func();
}

提问在Test中的两个函数能否调用成功?

b.func(10)可以调用成功，因为构成了隐藏。
b.func()不能调用成功，会发生变异报错，因为隐藏了调不动。

4.派生类的默认成员函数

对于六大默认成员函数我们这里暂时先讨论4种重要的，即:构造函数，析构函数，拷贝构造，赋值运算符重载。

(1)默认生成的成员函数

当我们不在子类中书写时，编译器会默认生成。这里只需要记住一句话：

继承下来的成员调用父类的来处理，自己的按基本规则来处理。

以构造函数举例：派生类中的父类成员调用父类中的构造函数，自己的成员按照构造函数自动生成的规则来。

(2)自己写

自己写的情况

1.父类没有默认构造函数，需要我们自己写构造函数。

2.子类有资源需要释放，需要我们自己写析构函数。

3.如果子类涉及浅拷贝问题，需要自己写拷贝构造和赋值重载。

构造函数

父类成员调用对应的父类构造函数处理。子类成员按普通类处理。

举一个例子：

class Person
{
public:
	Person(string name , int num=2)
		:_name(name)
		,_num(num)
	{}
protected:
	string _name ;
	int _num ;
};
class Student :public Person
{
public:
	Student(int num,string _name,int _num)
		:_num(num)
		,Person(_name,_num)
	{}
protected:
	int _num;
};
int main()
{
	Student s1(2,"zhangsan",2);
}

看这一段代码，父类中没有默认构造函数（注意与默认成员函数区分），因此要初始化父类中的对象需要我们自己书写子类中的构造函数。在书写构造函数时，父类对象成员初始化使用父类中的构造函数，子类成员的初始化按正常方式书写即可。

拷贝构造和运算符重载函数

	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		,_num(s._num)
	{}
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s);//不指明类域的话会发生自己调自己的情况
			_num = s._num;
			return *this;
		}
	}
	int main()
{
	Student s1(2,"zhangsan",2);
	Student s2(s1);
	Student s3 = s2;
}

我们可以通过调试来查看结果：

在这里插入图片描述

析构函数

析构函数比较特殊，对于父类中的析构函数，我们不需要指定去书写，就像下面这种情况：

//父类中的析构
	~Person()
	{
		cout << "~Person" << endl;
	}
//子类中的析构
		~Student()
	{
		Person::~Person();
	}

注意，析构函数的名字在最后会被统一处理成destructor()，如果不指定类域的话，父类析构函数和子类析构函数会构成隐藏，因此需要指定类域。
对于上述int中的代码，需要析构三个子类对象，打印出的结果是：

在这里插入图片描述

我们发现调用了六次父类中的析构函数。这说明每个对象的父类成员都被析构了两次。如果需要释放空间，则一定会报错。

先说结论：我们自己实现子类构造函数时，不需要显示调用父类析构函数，我们显示调用一次，它还会自动调用一次。

在这里插入图片描述

下面简单说明一下，为什么程序需要自动调用：

我们知道变量的定义是发生在栈中的，因此就存在构造和析构的顺序问题，栈满足先入后出原则，因此先构造的需要后析构。

在构造的过程中，我们会先初始化父类成员，再初始化子类成员。因此我们需要先析构子类成员，再析构父类成员。

在这里插入图片描述

如果先析构父类会打乱栈的顺序，因此编译器会自动调用父类的析构函数。

5.友元与静态成员

这个只需要记住两点：

1.友元关系不能继承。

2.静态成员会被继承下来，无论继承多少，静态成员只有一个。

6.多继承

(1)概念

一个类有两个及以上父类时称这个继承关系为多继承。

class Student
{
public:
protected:
	int _id;
};
class Teacher
{
public:
protected:
	int _course;
};
class Assistant:public Student,public Teacher
{
public:
protected:
protected:
};

我们使用逗号表示分隔，即继承多个父类。可以通过调试来观察子类Assitant的内容：

在这里插入图片描述

(2)复杂的菱形继承

菱形继承是多继承的一种情况：

在这里插入图片描述

具有这样的继承关系的称为菱形继承。

菱形继承出现的问题：从对象成员模型构造，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。

数据冗余指的是类Assistant中会有两份Person的成员，二义性指的是这两份成员每一次调用不知道调用的的是哪一个，需要指定类域。

这段代码表示的就是菱形继承的关系：

class Person
{
public:
	string _name;
};
class Student:public Person
{
public:
protected:
	int _num;
};
class Teacher:public Person
{
public:
protected:
	int _id;
};
class Assistant:public Student,public Teacher
{
public:
protected:
protected:
	int _course;
};
int main()
{
	Assistant a;
}

我们通过调试可以观测a中的内容，发现会存在两份Person中的成员：

在这里插入图片描述

如果要对这两个Person成员赋值时，需要指定类域。

	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
}

这就是所谓的二义性，在实际中一个人不能有两个名字，对于冗余性来说，如果Person中有一个很大的数组浪费的空间会很多。

(3)虚继承解决菱形继承问题

虚继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用的虚拟继承，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 Student:virtual public Person
{
public:
protected:
	int _num;
};
class Teacher:virtual public Person
{
public:
protected:
	int _id;
};

只需要在菱形的腰部两个父类加入virtual关键词即可。

注意要在菱形的腰部。

当加完之后，在Assistant的对象中，Person类的_name成员就只有一个了。无论是否指定类域，更改的变量都只有一个：

在这里插入图片描述

(4)虚继承的原理

内存演示

要研究虚继承的原理，我们给出一个简化的菱形继承结构，再借助内存窗口窗口观察对象成员的模型。

class A
{
public:
	int _a;
};
class B:public A
{
public:
	int _b;
};
class C: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;
}

当没使用虚继承（即没有使用virtual时）

我们使用内存窗口来观察内容：

在这里插入图片描述

通过观察内存中的布局，我们发现d中的B父类对象和C父类对象中的内容分别是连续存放的，B中有父类A中成员_a的值是1，其自己成员_b的值是3，两者的内存是挨着的，C同理，对于D类中自己的成员_d，放在了内存的最后。

确定d中B类对象和C类对象的存储顺序是根据继承顺序决定的。由于上述代码是class D :public B, public C，因此B类的对象会存在C类的前面。
而当我们给腰部加上virtual构成虚继承之后：

class B:virtual public A
{
public:
	int _b;
};
class C:virtual public A
{
public:
	int _c;
};

在这里插入图片描述

使用virtual之后，我们发现已经将A中对象_a放入在了最后，因此无论指定不指定类域，改变的都是同一个_a的值。

但同时我们发现内存中多了两行，那么这两行是干什么的呢？

虚基表

从格式来看，这两行显然是都是地址。

在这里插入图片描述

我们再开辟一个内存2，向其中输入上面地址，我们发现地址中存储的内容是00 00 00 00，C类对象中同理，这里就不演示了。

这里00 00 00 00的意义在后面多态中会学习到，注意看它的下一个位置存放的是00 00 00 14

这里是十六进制，因此表示的是20这个数字。

再来看内存1：

在这里插入图片描述

两者的地址之差刚刚好是20个字节。

因此我们可以知道：在虚继承中，B类对象和C类对象的内存中新加入的是一个地址，分别用于寻找两者与A类型变量的偏移量。B类对象与A类对象的偏移量是20，同理可验证C类对象的偏移量是12。而内存2也有一个专有名词：虚基表

总结：A一般叫做虚基类，在D里面，A类成员放在一个公共的位置，有时B要找A，C要找A，就要通过虚基表中的偏移量进行计算。

比如，当我们再用B类和C类建立两个变量：

	B b = d;
	C c = d;

此时会发生切片处理，需要将d中的A类对象赋值到b和c中，此时就需要使用到虚基表来寻找。

再比如：

	B* pb = &d;
	pb->_a = 10;

pb指向了d的首地址，要更改d中的_a的值，指针pb也需要使用虚基表来进行寻找。

7.继承与组合

(1)两者区别

首先我们要对继承和组合进行区分：

继承表示的是子类继承父类，组合表示的是在一个类中定义了另一个类的成员变量。

//继承
class A
{
public:
	int _a;
};
class B:public A
{
public:
	int _b;
};
//组合
class C
{
public:
	int _c;
};
class D 
{
public:
	int _d;
	C _obj;
};

(2)继承与组合的区别

我们需要明确一点：类之间，模块之间最好是低耦合，高内聚的，因为方便维护。

低耦合：类之间依赖关系越弱越好。

高内聚：内部成员关系紧密。

1.继承对应于白盒：B可以直接使用A中的公有和保护成员，破坏了封装性。

2.组合对应于黑盒：D只能使用C的公有，不能直接使用保护成员。

举一个例子：

如果A中有5个public，5个protected

对于组合来说，非基类只能使用这5个public，基类中的其他成员随便修改都不会影响该非基类。

对于继承来说，基类中一切的改变都会影响子类。

那可以抛弃继承的语法吗？当然是不行的。

多态是建立在继承的基础上的。

(3)使用情况

1.如果B就是一个A，比如Student是一个Person，我们称这种关系为is-a关系，此时适合使用继承。

2.如果D被包含于C，比如head包含eyes，我们称这种关系为has-a关系，此时适合使用组合。

3.当遇到特殊情况，is-a和has-a都可以讲通时，优先使用组合。

8.总结

C++的语法复杂在于C++是第一个吃螃蟹的人，很多地方会考虑太多，拿多继承举例，有了多继承就有了菱形继承，有了菱形继承，就有了菱形虚拟继承，底层实现就更为复杂了，所以一般不建议设计多继承，设计了多继承也不建议设计菱形继承。

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