一、继承

1.1 继承的概念及定义

1.1.1 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。

1.1.2 继承的定义

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


class Person
{
public:
  void print()
  {
    cout << "_name::" << _name << endl;
    cout << "_age::" << _age << endl;
  }
protected:
  string _name = "张三";
  size_t _age = 18;
};

class Student:public Person 
{
public:
  void print()
  {
    cout << "Student::_name::" << _name << endl;
    cout << "Student::_age::" << _age << endl;
    cout << "Student::_stuid" << _stuid << endl;
  }
protected:
  string _stuid = "201910204001"; 
};

class Teacher:public Person 
{
public:
  void print()
  {
    cout << "Teacher::_name::" << _name << endl;
    cout << "Teacher::_age::" << _age << endl;
    cout << "Teacher::_jobid::" << _jobid << endl;
  }
protected:
  string _jobid = "201810204001";
};
int main()
{
  Student s;
  Teacher t;
  s.print();
  t.print();
  return 0;
}

在上面代码中，基类是Person，因为Student和Teacher都以public的继承方式继承与基类Person，所以Student和Teacher都是派生类。其中基类也被称作为父类，派生类也称为子类。

1.2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 Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。
  

1.3继承关系和访问限定符

继承基类成员访问方式的变化

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。

class Person
{
public:
  void print()
  {
    cout << "_name::" << _name << endl;
    cout << "_age::" << _age << endl;
  }
private:
  string _name = "张三";
  size_t _age = 18;
};

实列演示基类private不论是什么继承方式在派生类中的不可见（类外面类里面都不可以访问）：

可以看出，派生类Student的对象s调用print(),即使是在类内也不可以对基类private的成员进行访问。这就是所谓的基类的private成员被继承后在派生类中的不可见。

验证private成员是否被继承下来：

class Student
{
public:
protected:
  string _stuid = "201910204001"; 
};

int main()
{
    Student s;
    cout << "Student " << sizeof(s) << endl;
    
    return 0;
}

class Student:public Person 
{
public:
protected:
  string _stuid = "201910204001"; 
};

int main()
{
    Student s;
    cout << "Student::public Person" << sizeof(s) << endl;
    return 0;
}

可以看出在继承和不继承的两种情况下，对象的大小（数据成员）是不一样的，这可以说明基类的private的成员也是被继承下来了，只是不可见的（在类内类外都是不可以访问的）。

1.4继承中的作用域

• 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。

• 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）

• 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。

• 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

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


class Person
{
public:
  void print()
  {
    cout << "_name:: " << _name << endl;
    cout << "_age:: " << _age << endl;
  }

protected:
  string _name = "张三";
  size_t _age = 18;
  int _id = 111111;
};

class Student:public Person 
{
public:
  void print()
  {
    cout << "Student::_name:: " << _name << endl;
    cout << "Student::_age:: " << _age << endl;
    cout << "Student::_stuid " << _stuid << endl;
    cout << "Student::_id:: " << _id << endl;
    cout << "Person::_id:: " << Person::_id << endl;//在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问
  }
protected:
  string _stuid = "201910204001"; 
  int _id = 2222222;
};

class Teacher:public Person 
{
public:
  void print()
  {
    cout << "Teacher::_name:: " << _name << endl;
    cout << "Teacher::_age:: " << _age << endl;
    cout << "Teacher::_jobid:: " << _jobid << endl;
    cout << "Teacher::_id:: " << _id << endl;
    cout << "Person::_id:: " << Person::_id << endl;//在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问
  }
protected:
  string _jobid = "201810204001";
  int _id = 3333333;
};
int main()
{
  Student s;
  Teacher t;

  s.print();
  t.print();

  return 0;
}

class A
{
public:
    void fun()
    {
    	cout << "func()" << endl;
    }
};
class B : public A
{
public:
    void fun(int i)
    {
        A::fun();在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问
        cout << "func(int i)->" <<i<<endl;
    }
};

int main()
{
    B b;
    //b.fun();这个是错误的，因为基类和派生类的成员函数的函数名相同，所以派生类的成员函数隐藏基类的同名成员函数是不可以直接调用，需要 类名::类内成员，比如：b.A::fun()对其调用，至于用派生类对象为什么可以访问或调用基类成员后面会提到
    b.fun(10);
}

如下图为b.fun()的编译结果：

运行上面代码的执行结果：

1.5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，编译器会帮我们自动生成一个，那么在派生类
中，这几个成员函数是如何生成的呢？

• 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。

• 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。

• 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。

• 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。

• 派生类对象初始化先调用基类构造后调派生类构造。

• 派生类对象析构清理先调用派生类析构后调基类的析构。

• 因为后续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(这个我们后面会讲
  解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destructor()，所以父类析构函数不加
  virtual的情况下，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。

  

  

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
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		: Person(name)
		, _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)
		{
			Person::operator =(s);//这里需要显示调用基类的operator=，因为派生类中有同名函数
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号
};

1.6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

1.7 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 。

1.8复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

1.8.1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。

1.8.2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。

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。

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()
{
	// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
	Assistant a;
	a._name = "peter";//会报错误
	// 需要显示指定访问哪个父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;
}

上面代码的编译结果：

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

class A
{

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

这是没有使用虚继承的内存结果：

很明显，d对象中存在数据冗余和二义性，下面用虚继承再看看内存结果：

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;
}

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（小端：b0 e2 92 00 ; bc db 92 00），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。

B对象的地址加上偏移量20字节找到B和C公共的A（0x00CFFCBC=0x00CFFCA8 + 0x00000014）,C对象的地址加上偏移量12个字节找到B和C公共的A（0x00CFFCBC=0x00CFFCB0+ 0x0000000C）。

1.9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。