C++继承使用详解（上）

tang_shou

759人浏览 · 2025-11-14 20:52:03

tang_shou · 2025-11-14 20:52:03 发布

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。

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

// 继承后父类的Person成员（成员变量+成岩函数）都会变成子类的一部分。
// 这里体现出了Student和Teacher的复用
class Student : public Person
{
protected:
        int _stuid;        // 学号
};

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


int main()
{
        Student s;
        Teacher t;

        s.Print();
        t.Print();

        return 0;
}

1.2 继承定义

1.2.1定义格式

下面Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类

1.2.2继承关系和访问限定符

继承方式分为：

public继承（基本只用public访问）
protected继承
private继承

访问方式分为：

public访问
protected访问
private访问

1.2.3继承基类成员访问方式的变化

总结：

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。
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。
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。
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，不过最好显式的写出继承方式。
在实际运用中一般使用都是public继承，几乎不使用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

2. 基类和派生类对象赋值转换

基类（Base Class）：也称为父类或超类，是被继承的类。
派生类（Derived Class）：也称为子类，是从基类继承而来的类。

class 基类名 {
    // 基类成员
};
 
class 派生类名 : 访问修饰符 基类名 {
    // 派生类成员
};

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。（ps：这个我们后面再讲解，这里先了解一下）

class Person
{
protected:
        string _name;
        string _sex;
        int _age;
};

class Student : public Person
{
public:
        int _No; // 学号

};

void test1()
{
        Person p;
        Student s;

        // 子类和父类之间的赋值兼容规则
        // 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
        p = s;
        Person* ptr = &s;
        Person& ref = s;

        // 2.基类对象不能赋值给派生类对象
        s = p;        // 报错

        // 3.有时候可以（这个父类的指针有可能指向子类对象）
        // 需要类型强转
        Student* sptr = (Student*)ptr;
}

3.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。

// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:
        string _name = "小李子"; // 姓名
        int _num = 111; // 身份证号
};
class Student : public Person
{
public:
        void Print()
        {
                cout << " 姓名:" << _name << endl;
                cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl; // 指定作用域可以用父类的_num
                cout << " 学号:" << _num << endl;
        }
protected:
        int _num = 999; // 学号
};
// 当父类和子类同时有同名成员时，子类的成员隐藏了父类的成员

void Test()
{
        Student s1;
        s1.Print();
};

// B中的fun和A中的fun不是构成重载，因为不是在同一作用域
// B中的fun和A中的fun构成隐藏，即重定义，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。
// 这两个fun不是函数重载，重载需要在同一作用域
class A
{
public:
        void fun()
        {
                cout << "func()" << endl;
        }
};
class B : public A
{
public:
        void fun(int i)
        {
                A::fun();
                cout << "func(int i)->" << i << endl;
        }
};
void Test()
{
        B b;
        b.fun(10);        // 自动调用子类中的fun
        b.fun();          // 父类中的fun被隐藏，无法直接调用，报错
        b.A::fun();       // 想调父类的fun只能指定作用域调用
};

4.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？

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再调派生类构造。
派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
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destrutor()，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

父类：

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 << _name << endl;
                cout << "~Person()" << endl;
        }

        size_t _age; // 年龄
protected:
        string _name; // 姓名
};

子类调用构造函数：

/* 构造函数 */
Student(const char* name, int stuid)
        :Person(name)       // 显式调用父类构造函数，无法直接使用父类成员初始化
                            // 如果不显式调用，编译器会自动调用默认构造函数初始化
        // ,_age(18)        // 无法直接使用父类成员初始化，报错
        ,_stuid(stuid)
{
        cout << "Student()" << endl;
}

拷贝构造：

/* 拷贝构造 */
Student(const Student& s)
        :Person(s)        // 直接传子类对象，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。
                          // 语法天然支持
        ,_stuid(s._stuid)
{
        cout << "Student()" << endl;
}

赋值：

/* 赋值 */
Student& operator=(const Student& s)
{
        if (this != &s)
        {
                Person::operator=(s);    // 父类中的 operator= 与Student里的赋值重载函数同名
                                         // 父类中的赋值重载会被隐藏，需要指定作用域调用
                _stuid = s._stuid;

                cout << "Student(const Student& s)" << endl;
        }
        return *this;
}

析构函数：

错误的析构函数

/* 析构函数 */
~Student()        // 子类的析构函数和父类的析构函数构成隐藏，
                        // 因为他们的名字会被编译器统一处理成 destructor (跟多态有关)
{
        Person::~Person();        // 需要指定作用域调用
        cout << "~Student()" << endl;
}

但此时现象不对，多了一个~Person()，多出一个父类的析构函数：

如下图是函数栈帧

创建栈帧时，先调用父类Person的构造函数，再调用子类的Student构造函数，由于栈的特性是先入后出，可以得出，在析构的时候，应该先调用子类的析构函数，再调用父类的析构函数

正确的析构函数：

/* 析构函数 */
~Student()        // 子类的析构函数和父类的析构函数构成隐藏，
                  // 因为他们的名字会被编译器统一处理成 destructor (跟多态有关)
{
        //Person::~Person();    // 父类析构函数不需要显式调用
        cout << "~Student()" << endl;
}        // 子类析构函数结束后会自动调用父类析构函数

子类析构函数结束后会自动调用父类析构函数，所以不能显示调用父类析构函数，这样才可以保证先析构子类，再析构父类

PS:如何让一个类不能被继承？

回想一下前面的流程，只需要把构造函数私有化即可，这样子类就无法调用父类的构造函数，对象就无法初始化了

5.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

class Student;
class Person
{
public:
        friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
        string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
        // 如果需要使用，就需要再声明友元
        // friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
        int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
        cout << p._name << endl;
        cout << s._stuNum << endl;    // 编译失败
}
void main()
{
        Person p;
        Student s;
        Display(p, s);
}

6. 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

class Person
{
public:
        Person() { ++_count; }
protected:
        string _name; // 姓名
public:
        static int _count; // 统计人的个数。
};

int Person::_count = 0;

class Student : public Person
{
protected:
        int _stuNum; // 学号
};

int main()
{
        Person p;
        Student s;

        p._count = 1;
        s._count = 2;    // 赋值都是同一个静态变量

        Person::_count++;// 这里的++也是对同一个静态变量++
        cout << Person::_count << endl;    // 3
        cout << Student::_count << endl;   // 3

        return 0;
}

7.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。

继承是类的复用，此时 Student 里面有一个 Person， Teacher 也有个 Person，此时就导致了数据冗余和二义性。

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
};
void Test()
{
        // 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";    // 报错
        // 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";
}

官方的解决方法：

使用 virtual 关键字，虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。

class Person
{
public:
        string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person    // 虚拟继承
{
protected:
        int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person    // 虚拟继承
{
protected:
        int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
        string _majorCourse; // 主修课程
};
void Test()
{
        Assistant a;
        a._name = "peter";    // 现在就不会报错了
}

虚拟继承->底层的对象模型非常复杂，且有一定效率损失

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，我们写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。

// 内存对象模型（对象在内存中是怎么存的？）
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;
        cout << sizeof(d) << endl;

        d.B::_a = 1;
        d.C::_a = 2;
        d._b = 3;
        d._c = 4;
        d._d = 5;
        return 0;
}

从上图可以看出，03 和 04 上面还存了点东西，03的前一个地址上存的是0x0084ca7c，04的前一个地址上存的是0x0084ca88，这好像是个指针，我们来到指针所指向的空间看一下：