面向對象程序設計的三大特性（二）：C++中的繼承

前言

衆所周知，面向對象程序設計有三大特性：封裝、繼承、多態。在之前的學習中我們對C++中的封裝有了一定層次的認知，那麼C++中的繼承是怎樣實現的呢？今天就帶大家來簡單梳理一下C++中的繼承。

1. 繼承的概念

繼承機制是面向對象程序設計使代碼複用的重要手段，它允許程序員在保持原有類（基類、父類） 特性的基礎上進行擴展，增加新的功能，這樣產生的新類叫做 派生類（子類），繼承展現了面向對象程序設計的層次結構，繼承是類設計層次的複用。

舉個栗子：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

// 基類
class Person{
public:
	void Print(){
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter";
	int _age = 18;
};

// 派生類
class Student :public Person{
protected:
	int _stuid;
};

class Teacher :public Person{
protected:
	int _jobid;
};

int main(){
	Student s;
	Teacher t;
	s.Print();
	t.Print();

	return 0;
}
運行結果：
	name:peter
	age:18
	name:peter
	age:18

上述例子我們看出Person類爲基類，Student類和Teacher類繼承了Person類，基類的成員函數和成員變量都會變爲派生類的一部分，實現成員變量和成員函數的複用，並且Student類和Teacher類也有自己特有的成員。

2. 繼承的方式

繼承方式有三類：public（公有）繼承、protected（保護）繼承、private（私有）繼承

那麼不同的繼承方式之間有什麼差別呢？

三種繼承方式對派生類成員的影響

1.基類的private成員在派生類中不可見，但是還是被繼承到派生類中。
2.權限大小：public > protected > private，繼承方式和訪問限定符誰的權限小，派生類中繼承而來的成員訪問權限就與誰相同。
3.class默認的繼承方式是private，struct默認的繼承方式是public，不過最好顯示的寫出繼承方式。

3. 基類和派生類之間的賦值兼容規則

規則一：

派生類對象可以賦值給基類的對象、指針、引用。形象的也叫做切片或者切割，意思就是將派生類中父類的內一部分切出來賦值過去。

規則二：

基類對象不能賦值給派生類的對象。基類並不具有派生類的所有成員，所以基類對象賦值給派生類對象時會出錯。

規則三：

基類的指針可以通過強制類型轉換賦值給派生類的指針。但是必須是基類的指針是指向派生類對象時纔是安全的。

4. 繼承中的作用域

在繼承體系中基類和派生類都有獨立的作用域，基類和派生類中有同名成員，派生類成員將屏蔽基類對同名成員的直接訪問，這種情況叫隱藏，也叫重定義。

在派生類成員函數中，可以使用 <基類 :: 基類成員> 指定作用域，顯示訪問基類中的同名成員。

舉個栗子：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class Person{
protected:
	string _name = "小李"; // 姓名
	int _num = 11; // 身份證號
};
class Student : public Person{
public:
	void Print(){
		cout << " 姓名:" << _name << endl;
		cout << " 身份證號:" << Person::_num << endl;
		cout << " 學號:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 99; // 學號
};
void Test(){
	Student s1;
	s1.Print();
};

int main(){
	Test();
	return 0;
}

如果是成員函數的隱藏，只需要函數名相同就構成隱藏。

注意：函數重載要求函數必須在同一作用域中，函數重定義（隱藏）是兩個函數在不同的作用域中。

5. 派生類的默認成員函數

派生類也有六個默認成員函數，但是這些默認成員函數既要兼顧派生類也要兼顧基類，因此在寫法上和常規默認成員函數略有不同。

1. 構造函數

派生類的構造函數必須調用基類的構造函數初始化基類的那一部分成員，如果基類沒有默認的構造函數，則必須在派生類構造函數的初始化列表階段顯示調用。

派生類對象初始化先調用基類構造再調派生類構造，構造函數私有化可設計出一個不能被繼承的類。

2. 拷貝構造函數

派生類的拷貝構造函數必須調用基類的拷貝構造完成基類的拷貝初始化。

3. 賦值構造函數

派生類的operator=必須要調用基類的operator=完成基類的賦值。

4. 析構函數

派生類的析構函數和基類的析構函數構成隱藏。（函數名會被編譯器統一處理成destructor）

派生類的析構函數會在被調用完成後自動調用基類的析構函數清理基類成員。因爲這樣才能保證派生類對象先清理派生類成員再清理基類成員的順序。

派生類對象析構清理先調用派生類析構再調基類的析構。

舉個栗子：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

// 基類
class Person{
public:
	// 基類構造
	Person(const char* name = "peter")
		:_name(name)
	{
		cout << "Person()：基類構造" << endl;
	}

	// 基類拷貝構造
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)：基類拷貝構造" << endl;
	}

	// 基類賦值構造
	Person& operator=(const Person& p){
		cout << "Person operator=(const Person& p)：基類賦值構造" << endl;
		if (this != &p){
			_name = p._name;
		}
		return *this;
	}

	// 基類析構
	~Person(){
		cout << "~Person()：基類析構" << endl;
	}

protected:
	string _name; // 姓名
};

// 派生類
class Student :public Person{
public:
	// 派生類構造
	Student(const char* name = "jack", int num = 1)
		:Person(name)
		, _num(num)
	{
		cout << "Student()：派生類構造" << endl;
	}

	// 派生類拷貝構造
	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		, _num(s._num)
	{
		cout << "Student(const Student& s)：派生類拷貝構造" << endl;
	}

	// 派生類賦值構造
	Student& operator=(const Student& s){
		cout << "Student& operator= (const Student& s)：派生類賦值構造" << endl;
		if (this != &s){
			Person::operator=(s);
			_num = s._num;
		}

		return *this;
	}

	// 派生類析構
	~Student(){
		cout << "~Student()：派生類析構" << endl;
	}
		
protected:
	int _num;// 學號
};

int main(){
	Student s1;
	Student s2(s1);
	s2 = s1;
}

6. 繼承與友元和繼承與靜態成員

友元關係不能繼承，也就是說基類友元不能訪問派生類私有和保護成員。

基類定義了static靜態成員，則整個繼承體系裏面只有一個這樣的static成員。無論派生出多少個子類，都只有一個static成員實例。

7. 複雜的菱形繼承及菱形虛擬繼承

1. 單繼承

一個派生類只有一個直接基類時，稱這個繼承關係爲單繼承。

class Person

class Student:public Person

class PostGraduate:public Student

2. 多繼承

一個派生類有兩個或以上直接基類時，稱這個繼承關係爲多繼承。

class Student     class Teacher

class Assistant:public Student,public Teacher

3. 菱形繼承

菱形繼承是多繼承的一種特殊情況。

class Person

class Student:public Person     class Teacher:public Person

class Assistant:public Student,public Teacher

菱形繼承的問題：菱形繼承有數據冗餘和二義性的問題。在Assistantde的對象中Person成員會有兩份。

解決辦法：顯示指定訪問哪個父類的成員可以解決二義性問題，但是數據冗餘問題無法解決。

Assistant a ;
// a._name = "peter";  二義性
a.Student::_name = "xxx";
a.Teacher::_name = "yyy";

4. 菱形虛擬繼承（解決菱形繼承中數據冗餘和二義性的問題）

例如上面的菱形繼承關係，在Student類和Teacher類繼承Person類時，加上virtual關鍵字使用虛擬繼承即可解決問題。

代碼示例：

class Person

class Student:virtual public Person     class Teacher:virtual public Person

class Assistant:public Student,public Teacher

原理剖析：

1.菱形繼承的對象成員模型：清晰的看到數據冗餘

2.菱形虛擬繼承的對象成員模型：解決了數據冗餘

但是菱形虛擬繼承會有一定的效率損失，需要通過虛基表指針找到虛基表中的偏移量，進行計算。

8. 繼承和組合

繼承和組合都完成了類層次的複用。

繼承

繼承：是一種 “是” 的關係（車和寶馬的關係），也就是說每個派生類對象都是一個基類對象。繼承是一種白箱複用，基類的內部細節對派生類可見，繼承一定程度上破壞了基類的封裝，基類的改變對派生類有很大的影響，基類和派生類之間的依賴關係很強，耦合度高。但要實現多態，就必須用繼承。

組合

組合：是一種 “有” 的關係（車和輪胎的關係），對象組合是類繼承之外的另一種複用選擇，新的更復雜的功能可以通過組裝或組合對象來獲得。假設B組合了A，那麼B對象中都有一個A對象。組合是一種黑箱複用，A對B是不透明的，A保持了自己的封裝，對象的內部細節是不可見的，組合類之間沒有很強的依賴關係，耦合度低。類之間的關係，優先使用對象組合有助於你保持每個類被封裝。

小結

很多人說C++語法複雜，其實多繼承就是一個體現。有了多繼承，就存在菱形繼承，有了菱形繼承就有菱形虛擬繼承，底層實現就很複雜。所以一般不建議設計出多繼承，一定不要設計出菱形繼承。否則在複雜度及性能上都有問題。

面向對象程序設計的三大特性（二）：C++中的繼承

前言

1. 繼承的概念

2. 繼承的方式

3. 基類和派生類之間的賦值兼容規則

4. 繼承中的作用域

5. 派生類的默認成員函數

6. 繼承與友元和繼承與靜態成員

7. 複雜的菱形繼承及菱形虛擬繼承

8. 繼承和組合

小結

面向對象程序設計的三大特性（三）：C++中的多態

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面向對象程序設計的三大特性（二）：C++中的繼承

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