【C++进阶】继承、多态的详解（继承篇）

作者：爱写代码的刚子
时间：2023.7.28
前言：本篇博客主要介绍C++进阶部分内容——继承，C++中的继承和多态是比较复杂的，需要我们认真去深挖其中的细节。

继承的概念及定义

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。

继承的定义

定义格式

继承关系和访问限定符

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。

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 / 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的。这里基类如果是多态类型，可以使用RTTI(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。

• 例：
  
  

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，可以使用 基类::基类成员 显示访问父类成员）
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。
   
   

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。

• 对于类的初始化

1. 基类没有默认构造，需要我们手动对基类进行初始化
   
2. 如果基类有默认构造，可以不进行手动初始化，编译器会自动调用基类的默认构造
   

• 对于类的拷贝构造

1. 派生类如果不去调基类的拷贝构造，基类则会自动调用默认构造函数
   

2. 派生类手动调用基类的构造函数

• 对于类的赋值重载
  

• 对于类的析构函数
  以下写法不正确：
  

因析构函数的函数名被处理了，统一处理成 destructor，所以由于派生类的析构函数函数名和基类相同，构成了隐藏关系，但是析构函数会自动调用，因为需要保证析构的顺序显示调用父类的析构，无法保证先子后父，所以子类析构函数完成时，自动调用了父类的析构，所以不需要我们显式调用父类的析构函数

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

如果一个友元函数需要用到基类和派生类成员，我们需要将基类和派生类中声明该函数为友元函数。

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。

也就是说静态成员属于父类和派生类（同一个），在派生类中不会单独拷贝一份，继承的是父类静态成员的使用权
也可以利用这一特性在父类中定义一个静态成员变量，统计子类创建的个数（每个子类的创建都会调用父类的构造函数）

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。
    
    但是可以这样：
    

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。
以下结构也属于菱形继承：

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。使用虚拟继承即可解决问题，虚拟继承不要在其他地方去使用:

(虚继承是用在中间的继承类上的)

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:

（上图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余,指定访问解决的是数据二义性）

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，那么B和C如何去找到公共的A呢？这里是通过了B和C的两个指针，指向的一张表。这两个指针叫虚基表指针，这两个表叫虚基表。虚基表中存的偏移量，通过偏移量可以找到下面的A。

菱形虚拟继承的原理解释：

（注意在对象B、C、D中是对同一份_a进行操作）
【注意】：菱形继承和菱形虚拟继承是不一样的，菱形继承中对象B、C存的是不同的_a,而菱形虚拟继承中存放的是同一个_a,修改的也是同一个_a。

【附】：
本篇博客写到这时其实遇到了很大的阻碍，由于作者使用的是clion编译器，而参考的资料使用的是VS编译器，在测试虚拟继承时发现对象中的内存分布情况和clion编译器差别很大。

• 在VS编译器中：
  两个虚基表指针中存放的是各自对象对_a的偏移量。
  

B、C对象中都存有一个虚基表指针，该指针指向的内存存放的是该对象的起始地址距离变量_a的偏移量。

• clion对此的处理方法不同：

1. 除了第一个虚基表指针指向的内容存放了首地址对变量_a的偏移量，其他虚基表指针指向的内存都是存放第一个虚基表指针的地址，通过第一个虚基表指针来找到对_a的偏移量。

2. clion还使用了01 00 00 00来占位

• 例1:
  
  当末尾对象减少一个变量（值为6）时：
  
• 例2:
  
  对中间的一个对象增加一个变量（值为9）：
  
  所以并不是所有的01 00 00 00都存放有值，有可能是用于占位。
  作者也是根据这个推测发现clion存放虚基表的方式和VS不同（中间验证了有一段时间，如果有不正确的地方欢迎指正）
  所以不同的编译器对菱形虚拟继承的处理可能不一样
• 创建不同的D对象的实例时，其首地址都是一样的，指向同一份虚基表。
  
  

【遗留的问题】：
当单独创建一个B对象的时候其内存分布：


有点不明白为什么第一个指针指向的内存只存自己的地址还存了01 00 00 00，是如何找到_a的呢？大概是clion编译器自己的处理吧。(VS的处理方法和之前类似，创建一个虚基表，存放首地址对_a的偏移量)

菱形继承的场景

一般项目中会规避使用菱形继承和菱形虚拟继承，因为太复杂了。
流插入流提取中用到了菱形继承：

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。

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