C++繼承與菱形繼承詳細(xì)介紹

更新時(shí)間：2022年08月26日 16:48:29 作者：小小酥誒

繼承(inheritance)機(jī)制是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)使代碼可以復(fù)用的最重要的手段，它允許程序員在保持原有類(lèi)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加功能，這樣產(chǎn)生新的類(lèi)，稱(chēng)派生類(lèi)。繼承呈現(xiàn)了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的認(rèn)知過(guò)程

繼承的概念和定義

繼承機(jī)制是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的一種實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用的重要手段，它允許程序員在保持原有類(lèi)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，增加其他的功能，在此基礎(chǔ)上也就產(chǎn)生了一個(gè)新的類(lèi)，稱(chēng)為派生類(lèi)。繼承呈現(xiàn)了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)，是類(lèi)設(shè)計(jì)層次的復(fù)用。

//以下代碼就是采用了繼承機(jī)制的一個(gè)場(chǎng)景
class person
{
protected:
	char _name[28];
	int _age;
	char _id[30];
};
//繼承是代碼復(fù)用的一種重要手段
class student :public person
{
protected:
	char _academy[50]; //學(xué)院
};

繼承的格式

在前面的例子中，person是基類(lèi)，student是派生類(lèi)，繼承方式是public. 這是很容易記憶的，person是基礎(chǔ)的類(lèi)，student是在person這個(gè)類(lèi)的基礎(chǔ)之上派生出來(lái)的。這就非常地像父子關(guān)系，所以基類(lèi)又可以稱(chēng)為父類(lèi)，派生類(lèi)又可為子類(lèi)。子類(lèi)的后面緊跟著:，是:后面這個(gè)類(lèi)派生出來(lái)的。

繼承關(guān)系和訪(fǎng)問(wèn)限定符

繼承的幾種方式和訪(fǎng)問(wèn)限定符是相似的。

三種繼承方式：public繼承、protected繼承、private繼承。

三種訪(fǎng)問(wèn)限定符：public訪(fǎng)問(wèn)、protected訪(fǎng)問(wèn)、private訪(fǎng)問(wèn)。

基類(lèi)類(lèi)成員的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限和派生類(lèi)繼承基類(lèi)的繼承方式，關(guān)系到了基類(lèi)被繼承下來(lái)的類(lèi)成員在派生類(lèi)中的情況。ps:這句話(huà)起始很好理解地，就是這句話(huà)寫(xiě)起來(lái)就變得繞口和復(fù)雜了，哈哈哈??.

基類(lèi)成員/繼承方式	public繼承	protected繼承	private繼承
public成員	在派生類(lèi)中為public成員	在派生類(lèi)中為protected成員	在派生類(lèi)中為private成員
protected成員	在派生類(lèi)中為protected成員	在派生類(lèi)中為protected成員	在派生類(lèi)中為private成員
private成員	在派生類(lèi)中不可見(jiàn)	在派生類(lèi)中不可見(jiàn)	在派生類(lèi)中不可見(jiàn)

這里的不可見(jiàn)指的是：基類(lèi)中的private成員也是被繼承下來(lái)了的，只是在語(yǔ)法上，在派生類(lèi)的類(lèi)里和類(lèi)外都不能夠訪(fǎng)問(wèn)。

記住這個(gè)特殊的點(diǎn)，那么其他的就可理解為“權(quán)限問(wèn)題”，這里“權(quán)限只能縮小,不能放大”。例如，基類(lèi)的public成員以private繼承方式繼承下來(lái)，為“權(quán)限小的那個(gè)”，也就是繼承下來(lái)后在派生類(lèi)中是private成員。

class person
{
protected:
	char _name[28];
	char _id[30];
private:
	int _age;
};
class teacher :public person
{
public:
	teacher()
		:_age(0) //基類(lèi)的private成員在派生類(lèi)里不能訪(fǎng)問(wèn)
	{
	}
protected:
	char _jodid[20]; //工號(hào)
};
int main(void)
{
	teacher t1;
	t1._age; //基類(lèi)的private成員在類(lèi)外不能訪(fǎng)問(wèn)
	return 0;
}

基類(lèi)和派生類(lèi)之間的賦值

派生類(lèi)的對(duì)象可以賦值給其基類(lèi)的對(duì)象、基類(lèi)的指針、基類(lèi)的引用。

就像上面這樣，取基類(lèi)需要被賦值的值過(guò)去即可。

派生類(lèi)賦值給基類(lèi)的對(duì)象、基類(lèi)的指針、基類(lèi)的引用。在派生類(lèi)中取基類(lèi)需要的，就像把派生類(lèi)給切割了一樣、所以這里有一個(gè)形象的稱(chēng)呼：切割/切片

class Person
{
protected:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性別
	int _age; // 年齡
};
class Student : public Person
{
public:
	int _id; // 學(xué)號(hào)
};
int main(void)
{
	//可以將派生類(lèi)賦值給基類(lèi)的對(duì)象、指針、引用
	Person p;
	Student s;
	p = s;
	Person* Pptr = &s;
	Person& Refp = s;
	//注意不能將將基類(lèi)對(duì)象給派生類(lèi)對(duì)象
	//s = p;
	//允許將基類(lèi)指針賦值給派生類(lèi)指針，但是需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換
	Student* sPtr = (Student*)Pptr;
	return 0;
}

【注意】

1、不允許基類(lèi)對(duì)象賦值給派生類(lèi)對(duì)象

2、允許基類(lèi)指針賦值給派生類(lèi)指針, 但是需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化雖然可以，但是會(huì)存在越界訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題。

繼承中的作用域

基類(lèi)和派生類(lèi)都有獨(dú)立的作用域。繼承下來(lái)的基類(lèi)成員在一個(gè)作用域，派生類(lèi)的成員在另一作用域。

//以下代碼的運(yùn)行結(jié)果是什么？
class Person
{
protected:
	string _name = "楊XX"; // 姓名
	int _num = 12138; // 身份證號(hào)
};
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout <<_num << endl;
	}
protected:
	int _num = 52622; // 學(xué)號(hào)
};
void Test()
{
	Student s1;
	s1.Print();
};

基類(lèi)中有一個(gè)_num 給了缺省值“12138”，派生類(lèi)中也有一個(gè)_name，給了缺省值“52622”，那么在派生類(lèi)里直接使用_name，使用的具體是哪一個(gè)類(lèi)里的？

使用的是派生類(lèi)Student里的。

總結(jié)：基類(lèi)和派生類(lèi)中如果有同名成員，派生類(lèi)將屏蔽基類(lèi)對(duì)同名成員的直接訪(fǎng)問(wèn)，這種情況稱(chēng)為隱藏，或者稱(chēng)為重定義。

如果想要訪(fǎng)問(wèn)，則使用基類(lèi)::基類(lèi)成員顯示的訪(fǎng)問(wèn)。

class Person
{
protected:
	string _name = "楊XX"; // 姓名
	int _num = 12138; // 身份證號(hào)
};
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "身份證號(hào):" << Person::_num << endl;
		cout << "學(xué)號(hào):" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 52622; // 學(xué)號(hào)
};
void Test()
{
	Student s1;
	s1.Print();
};
int main(void)
{
	Test();
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果

我們已經(jīng)了解了什么是隱藏。那么來(lái)看一下下面這些代碼。

//以下的兩個(gè)函數(shù)構(gòu)成隱藏還是重載？
class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	void func(int num)
	{
		cout << "func(int num)" << endl;
	}
};
void Test()
{
	B b;
	b.func(10);
}

函數(shù)重載要求在同一作用域，而被繼承下來(lái)的基類(lèi)成員和派生類(lèi)成員在不同的作用域，所以構(gòu)成的是隱藏。

```cpp
//以下代碼的運(yùn)行結(jié)果是什么？
class A
{
public:
	void func()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	void func(int num)
	{
		cout << "func(int num)" << endl;
	}
};
void Test()
{
	B b;
	b.func();
}

因?yàn)?code>func（）函數(shù)隱藏了，在派生類(lèi)的作用域內(nèi)沒(méi)有func()函數(shù)，所以會(huì)出現(xiàn)編譯報(bào)錯(cuò)。

派生類(lèi)的默認(rèn)成員函數(shù)

類(lèi)有8個(gè)默認(rèn)成員函數(shù)，這里只說(shuō)重點(diǎn)的四個(gè)默認(rèn)成員函數(shù)：構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、拷貝構(gòu)造函數(shù)、賦值重載函數(shù)

如果我們不寫(xiě)派生類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，編譯器會(huì)做如下的事情：

1、基類(lèi)被繼承下來(lái)的部分會(huì)調(diào)用基類(lèi)的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)

2、派生類(lèi)自己也會(huì)生成默認(rèn)構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)，派生類(lèi)自己的和普通類(lèi)的處理一樣

如果我們不寫(xiě)派生類(lèi)的賦值構(gòu)造函數(shù)和拷貝構(gòu)造函數(shù)，編譯器會(huì)做如下的事情

3、基類(lèi)被繼承下來(lái)的部分會(huì)調(diào)用基類(lèi)的默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值構(gòu)造函數(shù)。

4、派生類(lèi)自己也會(huì)生成默認(rèn)賦值拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值函數(shù)，和普通類(lèi)的處理一樣。

什么情況下需要自己寫(xiě)？

1、父類(lèi)沒(méi)有合適的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，需要自己顯示地寫(xiě)

2、如果子類(lèi)有資源需要釋放，就需要自己顯示地寫(xiě)析構(gòu)函數(shù)

3、如果子類(lèi)存在淺拷貝的問(wèn)題，就需要自己實(shí)現(xiàn)拷貝構(gòu)造和賦值函數(shù)解決淺拷貝的問(wèn)題。

如果需要自己寫(xiě)派生類(lèi)的這幾個(gè)重點(diǎn)成員函數(shù)，那么該如何寫(xiě)？

//如果需要自己實(shí)現(xiàn)派生類(lèi)的幾個(gè)四個(gè)重點(diǎn)默認(rèn)成員函數(shù)，需要如何實(shí)現(xiàn)？該注意什么？
class Person
{
public:
	Person(const char* name)
		:_name(name)
	{
		cout << "Person(const char* name)" << endl; //方便查看它什么被調(diào)用了
	}
	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;
		//首先排除自己給自己賦值
		if (this != &p)
		{
			_name = p._name;
		}
		return *this;
	}
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl; 
	}
protected:
	string _name; //姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _id; //學(xué)號(hào)
	int* _ptr = new int[10]; //給一個(gè)需要自己實(shí)現(xiàn)默認(rèn)成員函數(shù)場(chǎng)景用以舉例
};

1、實(shí)現(xiàn)派生類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)：需要調(diào)用基類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)初始化被繼承下來(lái)的基類(lèi)部分的成員。如果基類(lèi)沒(méi)有合適的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，就需要在實(shí)現(xiàn)派生類(lèi)構(gòu)造函數(shù)的初始化列表階段顯示調(diào)用。

2、實(shí)現(xiàn)派生類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)：派生類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)會(huì)在被調(diào)用完成后自動(dòng)調(diào)用基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)清理被繼承下來(lái)的基類(lèi)成員。這樣可以保證派生類(lèi)自己的成員的清理先于被繼承下來(lái)的基類(lèi)成員。ps:析構(gòu)函數(shù)名字會(huì)被統(tǒng)一處理成destructor()，所以被繼承下來(lái)的基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)和派生類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成隱藏。

3、實(shí)現(xiàn)派生類(lèi)的拷貝構(gòu)造函數(shù)：需要調(diào)用基類(lèi)的拷貝構(gòu)造函數(shù)完成被繼承下來(lái)的基類(lèi)成員的拷貝初始化。

4、實(shí)現(xiàn)派生類(lèi)的operator=：需要調(diào)用基類(lèi)的operator=完成被繼承下來(lái)的基類(lèi)成員的賦值。

5、派生類(lèi)對(duì)象初始化先調(diào)用基類(lèi)構(gòu)造再調(diào)用派生類(lèi)構(gòu)造。

class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int id)
		: Person(name)
		, _id(id)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}
	Student(const Student& s)
		: Person(s)
		, _id(s._id)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	Student& operator = (const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
		if (this != &s)
		{
			Person::operator =(s);
			_id = s._id;
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _id; //學(xué)號(hào)
};

菱形繼承

繼承可分為單繼承和多繼承。

單繼承：一個(gè)派生類(lèi)只有一個(gè)直接基類(lèi)

多繼承：一個(gè)派生類(lèi)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的直接基類(lèi)。

而多繼承中又存在著一種特殊的繼承關(guān)系，菱形繼承

它們之間的繼承關(guān)系邏輯上就類(lèi)似一個(gè)菱形，所以稱(chēng)為菱形繼承。菱形繼承相對(duì)于其他繼承關(guān)系是復(fù)雜的。

B中有一份A的成員，C中也有一份A的成員，D將B和C都繼承了，那么D中被繼承下來(lái)的A的成員不就有兩份了嗎？不難看出，菱形繼承有數(shù)據(jù)冗余和二義性的問(wèn)題。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	int _num; //學(xué)號(hào)
};
class Teacher : public Person
{
public:
	int _id; // 職工編號(hào)
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
public:
	string _majorCourse; // 主修課程
};
int main()
{
	// 二義性、數(shù)據(jù)冗余
	Assistant a;
	a._id = 1;
	a._num = 2;
	// 這樣會(huì)有二義性無(wú)法明確知道訪(fǎng)問(wèn)的是哪一個(gè)
	a._name = "peter";
	return 0;
}

上面的繼承關(guān)系如下：

此時(shí)Assitant中有兩份_name.存在數(shù)據(jù)冗余和二義性的問(wèn)題。

二義性的問(wèn)題是比較好解決的，使用::指定就可以了，但是并不能解決數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。

int main()
{
	// 二義性、數(shù)據(jù)冗余
	Assistant a;
	a._id = 1;
	a._num = 2;
	a.Student::_name = "小張";
	a.Teacher::_name = "張老師";
	return 0;
}

虛擬繼承可以解決繼承的數(shù)據(jù)冗余和二義性的問(wèn)題。如上面所畫(huà)的邏輯繼承關(guān)系。在開(kāi)始可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余和二義性的地方使用虛擬繼承，即可解決，但是在其他地方不要去使用虛擬繼承。

虛擬繼承格式

虛擬繼承解決數(shù)據(jù)冗余和二義性的原理

為了更好地研究，在這里給出一個(gè)比較簡(jiǎn)單的菱形繼承體系

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;
}

B和C中都有一份A的數(shù)據(jù)可以看出數(shù)據(jù)的冗余。

現(xiàn)在增加虛擬繼承機(jī)制，解決數(shù)據(jù)冗余和二義性。

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

再次調(diào)式調(diào)用內(nèi)存窗口，會(huì)發(fā)現(xiàn)

和沒(méi)有采用虛擬繼承的內(nèi)存窗口有較大的變化。

B中的地址0x00677bdc里有什么？C中的地址0x00677be4里有什么？

從內(nèi)存窗口可看出，菱形虛擬繼承，內(nèi)存中只在對(duì)象組成的最高處地址保存了一份A，A是B、C公共的。而B(niǎo)和C里分別保存了一個(gè)指針，該指針指向一張表。這張表稱(chēng)為虛基表，而指向虛基表的指針?lè)Q虛基指針。虛基表中保存的值，是到A地址的偏移量，通過(guò)這個(gè)偏移量就能夠找到A了。

繼承和組合的區(qū)分與聯(lián)系

在沒(méi)有學(xué)習(xí)繼承之前，我們其實(shí)頻繁地使用組合。

class head
{
private:
	int _eye;
	int _ear;
	int _mouth;
};
class hand
{
private:
	int _arm;
	int _fingers;
};
class Person
{
	//組合
	//一個(gè)人由手、頭等組合
	hand _a;
	head _b;
};

繼承是一種is-a的關(guān)系，每一個(gè)派生類(lèi)是基類(lèi)，例如，Student是一個(gè)Person, Teacher 是一個(gè)Person
組合是一種has-a的關(guān)系，Person組合了head, hand, 每一個(gè)Person對(duì)象中都有一個(gè)head、hand對(duì)象。
如果某種情況既可以使用繼承又可以使用組合，那么優(yōu)先使用對(duì)象組合，而不是類(lèi)繼承。