C++ 一篇搞懂繼承的常見特性

繼承和派生

01 繼承和派生的概念

繼承：

• 在定義一個新的類 B 時，如果該類與某個已有的類 A 相似（指的是 B 擁有 A 的全部特點），那麼就可以把 A 作爲一個基類，而把B作爲基類的一個派生類（也稱子類）。

派生類：

• 派生類是通過對基類進行修改和擴充得到的，在派生類中，可以擴充新的成員變量和成員函數。
• 派生類擁有基類的全部成員函數和成員變量，不論是private、protected、public。需要注意的是：在派生類的各個成員函數中，不能訪問基類的private成員。

02 需要繼承機制的例子

程序猿種類有很多種，如 C/C++ 程序猿，Java 程序猿，Python 程序猿等等。那麼我們要把程序猿設計成一個基類， 我們則需要抽出其特有的屬性和方法。

所有程序猿的共同屬性（成員變量）：

1. 姓名
2. 性別
3. 職位

所有的程序猿都有的共同方法（成員函數）：

1. 是否要加班？
2. 是否有獎勵？

而不同的程序猿，又有各自不同的屬性和方法：

• C++ 程序猿：是否是音視頻、網遊領域
• Java 程序猿：是否是微服務領域
• Python 程序猿：是否是人工智能、大數據領域

03 派生類的寫法

繼承的格式如下：

class 派生類名：public 基類名
{
    
};

程序猿 Coder 基類：

class Coder
{
public:
    bool isWorkOvertime(){}        // 是否要加班
    
    bool isReward(){}              // 是否有獎勵
    
    void Set(const string & name)  // 設置名字
    {
        m_name = name;
    }
    
    ...
    
private:
    string m_name; // 姓名
    string m_post; // 職位
    int m_sex;     // 性別
};

Python 程序猿 PythonCoder 派生類：

class PythonCoder : public Coder
{
public:
    bool isAIField(){}      // 是否是人工智能領域
    bool isBigDataField(){} // 是否是大數據領域
};

04 派生類對象的內存空間

派生類對象的大小 = 基類對象成員變量的大小 + 派生類對象自己的成員變量的大小。在派生類對象中，包含着基類對象，而且基類對象的存儲位置位於派生類對象新增的成員變量之前，相當於基類對象是頭部。

class CBase
{
    int a1;
    int a2;
};

class CDerived : public CBase
{
    int a3;    
};

---

繼承關係和複合關係

01 類之間的兩種關係

繼承的關係是「是」的關係：

• 基類 A，B 「是」基類 A 的派生類。
• 邏輯上要求：一個 B 對象也「是」一個 A 對象。

繼承的關係是「有」的關係：

• C 類中「有」成員變量 i，i 成員變量是 D 類的，則 C 和 D 是複合關係。
• 邏輯上要求：D 對象是 C 對象的固有屬性或組成部分。

02 繼承關係的使用

假設已經存在了 Man 類表示男人，後面需要些一個 Women 類來表示女人。Man 類和 Women 類確實是有共同之處，那麼就讓 Women 類繼承 Man 類，是否合適？

我們先想想繼承的邏輯要求，假設 Women 類繼承 Man 類後的邏輯就是：一個女人也是一個男人。很明顯，這顯然不成立！

所以，好的做法是概括男人和女人的共同特點，抽象出一個 Human 類表示人，然後 Man 和 Woman 都繼承 Human 類。

03 複合關係的使用

假設要寫一個小區養狗管理系統：

• 需要寫一個「主人」類。
• 需要些一個「狗」類。

假定狗只有一個主人，但是一個主人可以最多有 10 條狗，應該如何設計和使用「主人」類 和「狗」類呢？我們先看看下面幾個例子：

例子一：

• 爲主人類設一個狗類的成員對象數組；
• 爲狗類設一個主人類的成員對象。

class CDog;
class CMaster // 主人類
{
    CDog dogs[10]; // 狗類的成員對象數組
};

class CDog  // 狗類
{
    CMaster m;   // 主人類的成員對象
};

例子一可以發現是：

• 主人類會構造 10 個狗對象
• 狗類會構造 1 個主人對象

相當於人中有狗，狗中有人：

這樣是不好的，因爲會產生循環不斷的構造，主人類構造狗對象，狗類又構造主人對象....

例子二：

• 爲狗類設一個主人類的成員對象；
• 爲主人類設一個狗類的對象指針數組。

class CDog;
class CMaster // 主人類
{
    CDog * pDogs[10]; // 狗類的對象指針數組
};

class CDog  // 狗類
{
    CMaster m;   // 主人類的成員對象
};

這樣又變成狗中有人，人去指向「狗中有人」的狗，關係就會顯得很錯亂，如下圖：

例子三：

• 爲狗類設一個主人類的對象指針；
• 爲主人類設一個狗類的對象數組。

class CDog;
class CMaster // 主人類
{
    CDog  dogs[10]; // 狗類的對象數組
};

class CDog  // 狗類
{
    CMaster * pm;   // 主人類的對象指針
};

這樣就會變成，人中有狗，人裏面的狗又會指向主人，雖然關係相對好了一點，但是同樣還是會繞暈，效果如下圖：

例子四：

• 爲狗類設一個主人類的對象指針；
• 爲主人類設一個狗類的對象指針數組。

class CDog;
class CMaster // 主人類
{
    CDog  * pDogs[10]; // 狗類的對象指針數組
};

class CDog  // 狗類
{
    CMaster * pm;   // 主人類的對象指針
};

這個是正確的例子，因爲相當於人和主人是獨立的，然後通過指針的作用，使得狗是可以指向一個主人，主人也可以同時指向屬於自己的 10 個狗，這樣會更靈活。

04 指針對象和對象的區別

如果不用指針對象，生成 A 對象的同時也會構造 B 對象。用指針就不會這樣，效率和內存都是有好處的。

比如：

class Car
{
    Engine engine; // 成員對象
    Wing * wing;   // 成員指針對象
};

定義一輛汽車，所有的汽車都有 engine，但不一定都有 wing
這樣對於沒有 wing 的汽車，wing 只佔一個指針，判斷起來也很方便。

• 空間上講，用指針可以節省空間，免於構造 B 對象，而是隻在對象中開闢了一個指針，而不是開闢了一個對象 B 的大小。
• 效率上講，使用指針適合複用。對象 B 不但 A 對象能訪問，其他需要用它的對象也可以使用。
• 指針對象可以使用多態的特性，基類的指針可以指向派生鏈的任意一個派生類。
• 指針對象，需要用它的時候，才需要去實例化它，但是在不使用的時候，需要手動回收指針對象的資源。

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派生類覆蓋基類成員

01 覆蓋

派生類（子類）可以定義一個和基類（父類）成員同名的成員，這叫「覆蓋」。在派生類（子類）中訪問這類成員時，默認的情況是訪問派生類中定義的成員。要在派生類中訪問由基類定義的同名成員時，要使用作用域符號::。

下面看具體的例子：

// 基類
class Father
{
public:
    int money;
    void func();
};
 
 // 派生類
class Son : public Father // 繼承
{
public:
    int money;   // 與基類同名成員變量
    void func(); // 與基類同名成員函數
    
    void myFunc(); 
};

void Son::myFunc()
{
    money = 100;         // 引用的是派生類的money
    Father::money = 100; // 引用的是基類的money
    
    func();           // 引用的是派生類的
    Father::func();   // 引用的是基類的
}

相當於 Son 對象佔用的存儲空間：

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類的保護成員

我們都知道基類的 public 成員，都是可以被派生類成員訪問的，那麼基類的 protected、private 成員，分別可以被派生類成員訪問嗎？帶着這個問題，我們可以先看下面的栗子：

class Father
{
public:
    int nPublic;   // 公有成員
protected:
    int nProtected; // 保護成員
private:
    int nPrivate;   // 私有成員
};

class Son : public Father
{
    void func()
    {
        nPublic = 1;     // OK
        nProtected = 1;  // error
        nPrivate =1;     // ok，訪問從基類繼承的protected成員
        
        Son a;
        a.nProtected = 1; // error,a不是當前對象
    }
    
};

int main()
{
    
    Father f;
    Son s;
    
    f.nPublic;  // OK
    s.nPublic;  // OK
    
    f.nProtected; // error
    s.nProtected; // error
    
    f.nPrivate;  // error
    s.nPrivate;  // error
}  

基類的 protected、private 成員對於派生類成員的權限說明:
基類的 protected 成員 | 基類的 private 成員
---|---
派生類的成員函數可以訪問當前對象的基類的保護成員| 不能被派生類成員訪問

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派生類的構造函數

通常在初始化派生類構造函數時，派生類構造函數是要實現初始化基類構造函數的。那麼如何在派生類構造函數裏初始化基類構造函數呢？

class Bug {
private :
    int nLegs; int nColor;
public:
    int nType;
    Bug (int legs, int color);
    void PrintBug (){ };
};

class FlyBug : public Bug  // FlyBug 是Bug 的派生類
{
    int nWings;
public:
    FlyBug( int legs,int color, int wings);
};

Bug::Bug( int legs, int color)
{
    nLegs = legs;
    nColor = color;
}

// 錯誤的FlyBug 構造函數
FlyBug::FlyBug ( int legs,int color, int wings)
{
    nLegs = legs;   //  不能訪問
    nColor = color; //  不能訪問
    nType = 1;      // ok
    nWings = wings;
}

// 正確的FlyBug 構造函數：
FlyBug::FlyBug ( int legs, int color, int wings):Bug( legs, color)
{
    nWings = wings;
}

int main() 
{
    FlyBug fb ( 2,3,4);
    fb.PrintBug();
    fb.nType = 1;
    fb.nLegs = 2 ; // error. nLegs is private
    return 0;
}

在上面代碼例子中：

第24-30行的派生類構造函數初始化基類是錯誤的方式，因爲基類的私有成員是無法被派生類訪問的，也就無法初始化。

第33-36行代碼是正確派生類構造函數初始化基類構造函數的方式，通過調用基類構造函數來初始化基類，在執行一個派生類的構造函數
之前，總是先執行基類的構造函數。

從上面的例子中我們也得知構造派生對象前，是先構造基類對象，那麼在析構的時候依然依據“先構造，後初始化”的原則，所以派生類析構時，會先執行派生類析構函數，再執行基類析構函數。

如下栗子：

class Base 
{
public:
    int n;
    
    Base(int i) : n(i)
    {
        cout << "Base " << n << " constructed" << endl;
    }
    
    ~Base()
    { 
        cout << "Base " << n << " destructed" << endl; 
    }
};

class Derived : public Base 
{
public:
    Derived(int i) : Base(i)
    { 
        cout << "Derived constructed" << endl; 
    }
    
    ~Derived()
    { 
        cout << "Derived destructed" << endl;
    }
};

int main() 
{ 
    Derived Obj(3); 

return 0; 
}

輸出結果：

Base 3 constructed
Derived constructed
Derived destructed
Base 3 destructed

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繼承的賦值兼容規則

01 public 繼承

// 基類
class Base {};

// 派生類
class Derived : public Base {};

Base b;    // 基類對象
Derived d; // 派生類對象

1. 派生類的對象可以賦值給基類對象

b = d;

1. 派生類對象可以初始化基類引用

Base & br = d;

1. 派生類對象的地址可以賦值給基類指針

Base * pb = & d;

==注意：如果派生方式是 private 或 protected，則上述三條不可行==

02 protected 和 private 繼承

// 基類
class Base {};

// 派生類
class Derived : protected Base {};

Base b;    // 基類對象
Derived d; // 派生類對象

• protected 繼承時，基類的 public 成員和 protected 成員成爲派生類的 protected 成員；
• private 繼承時，基類的 public 成員成爲派生類的 private 成員，基類的 protected 成員成
  爲派生類的不可訪問成員；
• protected 和 private 繼承不是「是」的關係。

所以派生方式是 private 或 protected，則是無法像 public 派生承方式一樣把派生類對象賦值、引用、指針給基類對象。

03 基類與派生類的指針強制轉換

public 派生方式的情況下，派生類對象的指針可以直接賦值給基類指針

Base *ptrBase = & objDerived;

• ptrBase 指向的是一個 Derived 派生類（子類）的對象
• *ptrBase 可以看作一個 Base 基類的對象，訪問它的 public 成員直接通過 ptrBase 即可，但不能通過 ptrBase 訪問 objDerived 對象中屬於 Derived 派生類而不屬於基類的成員。

通過強制指針類型轉換，可以把 ptrBase 轉換成 Derived 類的指針

Base * ptrBase = &objDerived;
Derived *ptrDerived = ( Derived * ) ptrBase;

程序員要保證 ptrBase 指向的是一個 Derived 類的對象，否則很容易會出錯。