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C++学习之继承

news 2025/7/30 7:06:16

前面我们学习C++知道C++的三大特性：封装、继承、多态。

在之前的学习中，我们已经学习了用命名空间、类和对象、STL等封装相关的内容。本期我们就来学习C++的另外一个重要的特性：继承。

作者个=的个人gitee：楼田莉子 (riko-lou-tian) - Gitee.com喜欢可以支持一下。

继承

概念

继承的定义

继承基类成员访问⽅式的变化

继承类模板

基类与派生类的转换

继承的作用域

规则：

例题：

派生类的默认成员函数

如何实现一个不被继承的类

继承和友元

继承和静态成员

多继承及菱形继承问题

继承模型

虚继承

菱形继承的原理分析

编辑单继承虚函数表

多继承虚函数表

多继承的指针偏移量问题

IO库中的菱形虚拟继承

继承和组合

继承

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，它允许我们在保持原有类特性的基础上进⾏扩展，增加⽅法(成员函数)和属性(成员变量)，这样产⽣新的类，称派⽣类（也叫子类）。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。以前我们接触的函数层次的复⽤，继承是类设计层次的复⽤。
比如在一个学校的场景下，有学生、老师、行政、后勤、食堂阿姨等人员，它们各自属性有差异，但是都具有共同的属性，如姓名、性别、电话号码、身份证号等等。在这样的场景下就需要用到继承。

本质上，继承就是对类设计层次的复用

接下来用代码来说明：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;
//基类
class Person
{
public:// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证void identity(){cout << "void identity()" << _name << endl;}
protected:string _name = "张三"; // 姓名string _address; // 地址string _tel; // 电话int _age = 18; // 年龄
};
//学生类和教师类都继承Person类
//派生类
class Student : public Person
{public :// 学习void study(){// ...}
protected:int _stuid; // 学号
};
//派生类
class Teacher : public Person
{
public:// 授课void teaching(){//...}
protected:string title; // 职称
};int main()
{Student s;Teacher t;s.identity();t.identity();return 0;
}

结果为：

继承的定义

下⾯我们看到Person是基类，也称作⽗类。Student是派⽣类，也称作⼦类。(因为翻译的原因，所以既叫基类/派⽣类，也叫⽗类/⼦类)

//    派生类  继承方式  基类
class student :public person
{public:int _stuid;//学号int _major;//专业
}

当你不写继承方式的时候默认为私有继承方式

继承基类成员访问⽅式的变化

和之前的类访问限定符类似，类继承也有三种访问方式：公有、私有、保护

之前我们认为protected和private没有本质区别，那是对于访问来说。但是对于继承来说，这两者是有天差地别的。下面就是继承和派生类成员属性的表格：

类成员\继承方式	public继承	protected继承	private继承
基类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private成员	派生类不可见	派生类不可见	派生类不可见

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⻅的。这⾥的不可⻅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，基类的私有成员在派⽣类都是不可⻅。

基类的其他成员在派⽣类的访问⽅式 == 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。

继承类模板

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;
namespace Boogiepop
{//template<class T>//class vector//{};// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-atemplate<class T>//栈是特殊的双端队列class stack : public std::vector<T>{public:void push(const T& x){// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域，// 否则编译报错:error C3861: “push_back”: 找不到标识符// 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了// 但是模版是按需实例化，push_back等成员函数未实例化，所以找不到vector<T>::push_back(x);//push_back(x);}void pop(){vector<T>::pop_back();} const T& top(){return vector<T>::back();}bool empty(){return vector<T>::empty();}};
}
int main()
{Boogiepop::stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}return 0;
}

基类与派生类的转换

通常情况下我们把一个类型的对象赋值给另一个类型的指针或引用的时候，存在类型转换，会产生临时对象，所以需要加const。如：

int a=1;
const double& d=a;

public继承中就是一个特殊处理的例外。派生类的对象可以赋值给基类的引用/指针，而不需要加const，这里的指针/引用绑定的是派生类对象中的基类部分。也就意味着一个基类的指针/引用可能指向基类对象，也可能指向派生类对象。

派生类对象赋值给基类对象是通过基类的拷贝构造函数或者赋值重载函数来实现的，这个过程就像派生类自己定义的部分成员被切掉了一样，因此也被叫做切割或切片。

基类对象不能赋值给派⽣类对象。

基类的指针或者引⽤可以通过强制类型转换赋值给派⽣类的指针或者引⽤。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 TypeInformation)的dynamic_cast 来进⾏识别后进⾏安全转换。（ps：这个我们后⾯深入学习，这里暂做了解）

class Person
{protected :string _name; // 姓名string _sex; // 性别int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{public:int _No; // 学号
};
int main()
{Student sobj;// 1.派⽣类对象可以赋值给基类的指针/引⽤Person* pp = &sobj;Person& rp = sobj;// ⽣类对象可以赋值给基类的对象是通过调⽤后⾯会讲解的基类的拷⻉构造完成的Person pobj = sobj;//2.基类对象不能赋值给派⽣类对象，这⾥会编译报错sobj = pobj;return 0;
}

继承的作用域

规则：

1.在继承体系中基类和派⽣类都有独⽴的作⽤域。

2.派⽣类和基类中有同名成员，派⽣类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏。（在派⽣类成员函数中，可以使⽤基类::基类成员显⽰访问）

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。

例题：

class A
{ public:void fun()    {cout << "func()" << endl;}
};
class B : public A
{ public:void fun(int i){cout << "func(int i)" <<i<<endl;}
};
int main()
{B b;b.fun(10);b.fun();return 0;
};

1、A类和B类的fun函数是什么关系？B

A. 重载 B. 隐藏 C.没关系

不是重载。因为函数重载要求在同一个作用域。

成员函数只要函数名相同都构成隐藏。隐藏只有在继承中才存在的。

2、下面编译运行的结果是什么？A

A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 正常运⾏

b.fun()的参数缺乏

隐藏的底层是先去派生类找，如果找到了就不会去基类去找

如果想去找基类的函数可以指明作用域

class A
{ public:void fun()    {cout << "func()" << endl;}
};
class B : public A
{ public:void fun(int i){cout << "func(int i)" <<i<<endl;}
};
int main()
{B b;b.fun(10);b.A::fun();return 0;
};

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. 派⽣类的拷⻉构造函数必须调⽤基类的拷⻉构造完成基类的拷⻉初始化。

3. 派⽣类的operator=必须要调⽤基类的operator=完成基类的复制。需要注意的是派⽣类的operator=隐藏了基类的operator=，所以显⽰调⽤基类的operator=，需要指定基类作⽤域

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。

7. 因为多态中⼀些场景析构函数需要构成重写，重写的条件之⼀是函数名相同(后面多态部分会进行深入讲解）。那么编译器会对析构函数名进⾏特殊处理，处理成destructor()，所以基类析构函数不加virtual的情况下，派⽣类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;
class Person
{
public:Person(const char* name = "peter"): _name(name){cout << "Person()" << endl;}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;if (this != &p)_name = p._name;return *this;} ~Person(){cout << "~Person()" << endl;}
protected:string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{//默认成员函数——规则类似//两部分分开处理//1.基类成员当作整体处理（必须调用基类的构造函数和析构函数）//2.派生类成员与类和对象部分内容一样
public:Student(const char* name, int num): Person(name)//必须显式调用基类的构造函数, _num(num){cout << "Student()" << endl;}Student(const Student& s): Person(s), _num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}Student& operator = (const Student& s){cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;if (this != &s){// 构成隐藏，所以需要显⽰调⽤Person::operator =(s);_num = s._num;}return*this;}//析构函数因为多态(多态)的原因会被处理为：destructor//派生类和基类都有自己的析构函数~Student(){cout << "~Student()" << endl;Person::~Person();}//派生类析构函数调用后会自动调用基类的析构函数，因此自己实现析构的时候不需要显示调用基类的析构函数//构造初始化，先父类后子类；析构清理资源先子类后父类
protected:int _num; //学号
};
int main()
{//Student s1("jack", 18);//Student s2(s1);Student s3("rose", 17);//s1 = s3;return 0;
}

如何实现一个不被继承的类

⽅法1：基类的构造函数私有，派⽣类的构成必须调⽤基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派⽣类看不⻅就不能调⽤了，那么派⽣类就⽆法实例化出对象

⽅法2：C++11新增了⼀个final关键字，final修改基类，派⽣类就不能继承了。

// C++11的⽅法
class Base final
{
public:void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:int a = 1;
private:// C++98的⽅法/*Base(){}*/
};
class Derive :public Base
{void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:int b = 2;
};
int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

继承和友元

友元关系不能继承，也就是说基类友元不能访问派⽣类私有和保护成员

//前置声明
class Student;
class Person
{public :friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{//需要加上这行代码：//friend void Display(const Person& p, const Student& s);//否则就会报错，报错信息如下protected :int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{cout << p._name << endl;cout << s._stuNum << endl;//该成员变量不可访问
}
int main()
{Person p;Student s;// 编译报错：error C2248: “Student::_stuNum”: ⽆法访问 protected 成员// 解决⽅案：Display也变成Student 的友元即可Display(p, s);return 0;
}

继承和静态成员

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。⽆论派⽣出多少个派⽣类，都只有⼀个static成员实例。

class Person
{public :string _name;static int _count;
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected:int _stuNum;
};
int main()
{Person p;Student s;// 这⾥的运⾏结果可以看到⾮静态成员_name的地址是不⼀样的// 说明派⽣类继承下来了，⽗派⽣类对象各有⼀份cout << &p._name << endl;cout << &s._name << endl;// 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的// 说明派⽣类和基类共⽤同⼀份静态成员cout << &p._count << endl;cout << &s._count << endl;// 公有的情况下，⽗派⽣类指定类域都可以访问静态成员cout << Person::_count << endl;cout << Student::_count << endl;return 0;
}

结果为：

多继承及菱形继承问题

继承模型

单继承：⼀个派⽣类只有⼀个直接基类时称这个继承关系为单继承

多继承：⼀个派⽣类有两个或以上直接基类时称这个继承关系为多继承，多继承对象在内存中的模型是，先继承的基类在前⾯，后⾯继承的基类在后⾯，派⽣类成员在放到最后⾯。

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。⽀持多继承就⼀定会有菱形继承，像Java就直接不⽀持多继承，规避掉了这⾥的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的

单继承

多继承

菱形继承

//多继承问题
class Person
{public :string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{protected :int _num; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:int _id; // 职⼯编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{// 编译报错：error C2385: 对“_name”的访问不明确Assistant a;//a._name = "peter";// 需要显⽰指定访问哪个基类的成员可以解决⼆义性问题，但是数据冗余问题⽆法解决a.Student::_name = "xxx";a.Teacher::_name = "yyy";return 0;
}

在上面的代码中，我们难以解决数据冗余问题，因此C++有一个新特性：虚继承。

虚继承

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，⽆论是使⽤还是底层都会复杂很多。当然有多继承语法⽀持，就⼀定存在会设计出菱形继承，像Java是不⽀持多继承的，就避开了菱形继承。

//虚继承解决多继承的菱形继承问题
class Person
{public:Person(const char* name): _name(name){}string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{public :Student(const char* name, int num): Person(name), _num(num){}
protected:int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
public:Teacher(const char* name, int id): Person(name), _id(id){}
protected:int _id; // 职⼯编号
};
// 不要去玩菱形继承
class Assistant : public Student, public Teacher
{
public:Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3): Person(name3), Student(name1, 1), Teacher(name2, 2){}
protected:string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{// 思考⼀下这⾥a对象中_name是"张三", "李四", "王五"中的哪⼀个？Assistant a("张三", "李四", "王五");return 0;
}

菱形继承的原理分析

//虚继承底层原理分析
class A
{
public:int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:int _b;
};
class C : virtual public A
{
public:int _c;
};
class D :virtual public B, public C
{
public:int _d;
};
int main()
{D d;d.B::_a = 1;d.C::_a = 2;d._a = 3;d._b = 4;d._c = 5;d._d = 6;//主要为了切片的场景B b;b._a=7;b._b=8;//B的指针指向B的对象B* p2=&b;//B的指针指向D的对象B* p1=&d;//p1、p2分别指向_a成员访问修改//分析内存模型我们发现B对象也使用了虚基表指向A成员的模型//打开汇编我们会发现访问_a的方式是一样的p1->a++;p2->a++;return 0;
}

上图的代码我们通过监视无法看到真实的样子，因此要通过内存来查看

右侧两个存储的是偏移量

单继承虚函数表

多继承虚函数表

多继承的指针偏移量问题

下列说法正确的是：C

A：p1 == p2 == p3 B：p1 < p2 < p3 C：p1 == p3 != p2 D：p1 != p2 != p3

class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main()
{
Derive d;
Base1* p1 = &d;
Base2* p2 = &d;
Derive* p3 = &d;
return 0;
}

在上图所示的代码中，继承关系是这样的：

对于指针来说是这样的

上图所示的范围取决于derive继承Base1和Base2 的顺序

IO库中的菱形虚拟继承

实际上我们常用的IO库底层实现上也是菱形继承实现的

template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>
class basic_ostream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};
template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>
class basic_istream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>
{};

继承和组合

继承和组合本质上都是类成员的复用

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。

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，基类的内部细节对派⽣类可⻅。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。这种复⽤⻛格被称为⿊箱复⽤(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可⻅的。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。

优先使⽤组合，⽽不是继承。实际尽量多去⽤组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过也不太那么绝对，类之间的关系就适合继承(is-a)那就⽤继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系既适合⽤继承(is-a)也适合组合(has-a)，就⽤组合

//继承和组合
// Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合has-a的关系
class Tire 
{
protected:string _brand = "Michelin"; // 品牌size_t _size = 17; // 尺⼨
};
class Car
{
protected:string _colour = "⽩⾊"; // 颜⾊string _num = "陕ABIT00"; // ⻋牌号Tire _t1; // 轮胎Tire _t2; // 轮胎Tire _t3; // 轮胎Tire _t4; // 轮胎
};
class BMW : public Car 
{
public:void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};
// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class Benz : public Car 
{
public:void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};
template<class T>
class vector
{
};
// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
template<class T>
class stack : public vector<T>
{
};
template<class T>
class stack
{public :vector<T> _v;
};
int main()
{return 0;
}

在实际项目中要满足高内聚、低耦合

可以使用uml设计来分析项目架构