C++继承详谈——继承的基本概念和使用、菱形继承、虚拟菱形继承原理和继承的笔试面试题

浅浅的花香味﹌ 2023-01-17 06:22 141阅读 0赞

### C++继承详谈——继承的基本概念和使用、菱形继承、虚拟菱形继承原理和继承的笔试面试题 ###

*  1. 继承的概念和定义
 *   *  <1> 什么是继承?
     *  <2> 继承关系和访问限定符
 *  2. 基类和派生类对象赋值转换
 *  3. 继承中的作用域
 *   *  Q1: 重载vs隐藏
 *  4. 派生类的默认成员函数
 *  5. 友元与静态成员
 *   *  <1> 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
     *  <2> 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
 *  6. 复杂的菱形继承和虚拟菱形继承
 *   *  <1> 单继承
     *  <2> 多继承
     *  <3> 菱形继承
     *   *  1> 菱形继承的问题：数据冗余和二义性
         *  2> 解决办法：虚拟继承virtual
         *  3> 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
 *  7.继承总结与反思
 *  8. 继承的笔试面试题
 *   *  Q1：什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
     *  Q2：什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
     *  Q3：继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

# 1. 继承的概念和定义 #

首先回顾一下C++面向对象的三大特性：封装、继承和多态。先解释前两个

*  封装：本质上一种**更好的管理**。相较于C语言面向过程，C++将数据和方法都要放在类中进行管理，再通过访问限定符进行限制。
 *  继承：从类设计的角度来说，是为了避免重复定义数据和方法，进行类角度的复用。

## <1> 什么是继承? ##

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。

下面这张图

*  Person是父类，也称作基类。
 *  Student是子类，也称作派生类。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## <2> 继承关系和访问限定符 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
继承方式有三类：public、protected和private。  
访问限定符也有三类：public、protected和private。

**派生类继承基类成员访问方式的变化是怎样的呢？**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
首先，我们可以总结出**基类的成员在子类的访问方式**：

*  基类的private成员无论何种继承方式在子类中都不可见。注意：**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**
 *  基类的其他成员在子类的继承方式==**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**，不过最好显示的写出继承方式。
 *  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

# 2. 基类和派生类对象赋值转换 #

1.  **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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

1.  **基类对象不能赋值给派生类对象**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]
2.  **基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针**。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。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

# 3. 继承中的作用域 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

从上述代码我们可以得出以下结论：

1.  在继承体系中基类和派生类都有**独立的作用域**。
2.  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**）
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

## Q1: 重载vs隐藏 ##

了解了继承的隐藏后，观察下面这段代码，fun()和fun(int i)是重载还是隐藏？  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

# 4. 派生类的默认成员函数 #

首先回顾一下C++中的6个默认成员函数，即不写，编译器默认帮我们生成一个  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
那么，在派生类中是怎样生成的呢？  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
**派生类的默认成员函数必须先调用基类的默认成员函数，再调用派生类的默认成员函数。**

但是，派生类的析构函数是一个特例，**派生类的析构函数先调用派生类的析构函数再调用基类的析构函数，并且派生类的析构函数会在调用完成后自动调用基类的析构函数清理基类成员。** 原因可以从上图看到基类析构函数先入栈，因此顺序和前5个默认成员函数相反！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

# 5. 友元与静态成员 #

## <1> 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 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

## <2> 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 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

# 6. 复杂的菱形继承和虚拟菱形继承 #

## <1> 单继承 ##

**一个子类只有一个直接父类**  
![在这里插入图片描述][20210504105534988.png]

## <2> 多继承 ##

**一个子类有两个或两个以上的直接父类**  
![在这里插入图片描述][20210504105548620.png]

## <3> 菱形继承 ##

一个子类有多个父类，且这个子类的多个父类作为子类时，又有共同的一个父类。**菱形继承时多继承的特殊情况**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]

### 1> 菱形继承的问题：数据冗余和二义性 ###

来看菱形继承的下面这段代码，我们会发现菱形继承的问题

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
    };
    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";
    	// 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";
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

从上图不难看出，**菱形继承存在的两个问题**：

>  *  数据冗余
>  *  二义性

### 2> 解决办法：虚拟继承virtual ###

如何解决上述的两个问题呢？  
C++通过引入虚拟继承来解决上述问题，其操作是在Student类和Teacher类继承Person类时使用虚拟继承，加`virtual`关键字

class Person
    {
        
    public:
    	string _name; // 姓名
    };
    
    class Student : virtual public Person
    {
        
    protected:
    	int _num; //学号
    };
    class Teacher : virtual public Person
    {
        
    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";
    	a.Student::_name = "xxx";
    	a.Teacher::_name = "yyy";
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]  
注意：  
使用`virtual`关键字加虚拟继承的位置是在**共同的父类**上，即Person类

### 3> 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理 ###

我们写一个简化版本的代码，透过内存观察虚拟继承的本质，首先看没有虚拟继承

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;
    };
    void Test()
    {
        
    	D d;
    	cout << sizeof(d) << endl;
    	d.B::_a = 1;
    	d.C::_a = 2;
    	d._b = 3;
    	d._c = 4;
    	d._d = 5;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]  
使用虚拟继承后

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;
    };
    void Test()
    {
        
    	D d;
    	cout << sizeof(d) << endl;
    	d.B::_a = 1;
    	d.C::_a = 2;
    	d._b = 3;
    	d._c = 4;
    	d._d = 5;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]  
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，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。**

# 7.继承总结与反思 #

1.  **C++的复杂体现在多继承，有了多继承才会有菱形继承，而有了菱形继承又出现了虚拟继承**，且底层实现复杂，因此不建议设计多继承，一定不要设计出菱形继承。可以说C++通过不断的解决各种特殊情况下的问题从而又带来了一批新的问题要解决，因此给人一种复杂难懂的感觉！
2.  多继承可以认为是C++的缺陷之一，后面许多面向对象语言不再有多继承，例如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。例如猫是动物的一种，这就是is-a的关系。
     *  **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。例如脑袋包含了鼻子，这就是has-a关系  
        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。

# 8. 继承的笔试面试题 #

## Q1：什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？ ##

*  一个子类有多个父类，且这个子类的多个父类作为子类时，又有共同的一个父类。
 *  数据冗余和二义性。数据冗余是指继承的类对象中包含重复的数据，二义性则是指不指明类域的前提下，无法明确具体指向的对象是哪一个。

## Q2：什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的 ##

*  在父类继承前加`virtual`关键字，使其只有一份公共的虚基类成员。
 *  虚拟继承将虚基类对象(冗余数据)**单独开辟空间保存**，保证内存中虚基类对象的唯一性，**解决了数据的冗余**问题。而**每个对象又是通过一个虚基表找到虚基类对象，从而解决了数据的二义性**。其原理为对象中保存一个虚基表指针，这个**指针指向一张虚基表**，虚基表中存储的是当前位置距离虚基类对象的偏移量，通过**当前位置的地址+偏移量**就可以找到虚基类对象了。

## Q3：继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？ ##

*  **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。例如猫是动物的一种，这就是is-a的关系。**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。例如脑袋包含了鼻子，这就是has-a关系
 *  实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。要实现多态，就必须要继承。

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