【C++深度探索】继承机制详解（二）_业界新闻

发布时间:2024-07-28 19:33

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1.继承与友元

基类的友元关系不能被子类继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员

在C++的继承中，友元函数并不具有继承的特性。当一个类继承另一个类时，它只会继承基类的成员函数和数据成员，而不会继承基类中声明的友元函数。

例如：

class Student;//声明 //基类 class Person { public: 	friend void Display(const Person& p, const Student& s);//友元函数 protected: 	string _name; // 姓名 }; //子类 class Student : public Person { protected: 	int _stuNum; // 学号 };  void Display(const Person& p, const Student& s) { 	cout << p._name << endl;//可以访问基类的成员 	cout << s._stuNum << endl;//不可以访问子类的成员 } int main() { 	Person p; 	Student s; 	Display(p, s); 	return 0; }

结果如下：

因此，友元函数不能被继承。每个类都需要单独定义其自己的友元函数。

2.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。

静态成员是属于类而不是对象的成员。它们与类相关联，而不是与类的每个对象相关联。静态成员可以是静态变量和静态函数。

例如：

class Person { public: 	Person() { ++_count; }	//默认构造，每次创建对象自动调用 protected: 	string _name; // 姓名 public: 	static int _count; // 静态成员变量_count，统计人的个数 };  int Person::_count = 0;//初始化静态成员变量   class Student : public Person { protected: 	int _stuNum; // 学号 };  class Graduate : public Student { protected: 	string _seminarCourse; // 研究科目 };  void TestPerson() { 	Student s1; 	Student s2; 	Student s3; 	Graduate s4; 	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl; 	Student::_count = 0; 	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl; }

结果如下：

可以看出类的静态成员与普通成员不同，它独立于各个对象，存放在静态存储区，即使基类有多个子类，静态成员也不会被拷贝多次，是它们公共使用的。

3.单继承与多继承

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
如下图所示：

上图中，Student类只有一个直接父类Person，PostGraduate类也只有一个直接父类Student

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
如下图所示：

上图中，Assistant类有两个直接父类Student类和Teacher类

4.菱形继承与虚拟继承

菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况

菱形继承是指在C++中使用多重继承时，出现了多个派生类继承同一个基类，而最终有一个类同时继承了这些派生类，形成了一个菱形的继承结构。

例如：

//菱形继承 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 };

如下图所示：

Assistant类有两个直接父类Student类和Teacher类，而这两个类又都继承自Person类

当然不是所有的菱形继承都是一个标准的菱形结构，也可能是别的更复杂的结构，只要出现了多个派生类继承同一个基类，而最终有一个类同时继承了这些派生类，就形成了一个菱形的继承结构。

菱形继承带来的问题

菱形继承可以带来一些问题，主要是关于数据冗余和二义性。

数据冗余
上图中Student类和Teacher类继承自同一父类Person，有相同的数据成员，那么在Assistant类中就会有两份相同的数据成员，会引起数据冗余
二义性
如果Student类和Teacher类都有相同的成员，那么当在Assistant类中调用这个成员时，会出现二义性。编译器不知道应该调用Student类中的成员还是Teacher类中的成员。
例如：

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"; }

5.虚拟继承

为了解决这些问题，C++提供了虚继承的机制。通过在中间派生类Student和Teacher的继承声明中加上关键字virtual，可以实现虚继承。虚继承可以解决菱形继承带来的二义性问题，确保在最终派生类Assistant中只有一份数据成员和函数。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。

例如：

class Person { public: 	string _name; // 姓名 };  //虚拟继承 class Student : virtual public Person { protected: 	int _num; //学号 }; //虚拟继承 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"; }

我们看到这时再通过对象a去访问_name成员不会出现二义性，并且当给_name赋值时，发现在监视中所继承的_name都改变，这说明Assistant类中只有一份数据成员和函数，不会出现数据冗余

关于菱形虚拟继承的原理解释涉及到虚拟基类表与偏移量，大家有兴趣可以查看资料，这里就不过多介绍。

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。

6.继承和组合

组合是一种对象关系，一个类可以包含其他类的对象作为其成员变量。这种关系不是通过继承来实现，而是通过在一个类中创建另一个类的对象来实现。
而继承是一种面向对象编程中的机制，允许一个类（称为派生类或子类）从另一个类（称为基类或父类）继承属性和行为。通过继承，子类可以继承父类的特征和功能，并且可以添加或修改自己的特性和功能。

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：

class Person { public: 	string _name; // 姓名 }; class Student : public Person { protected: 	int _num; //学号 };  Student s;

上述代码中，Student对象s是一个Person类的对象；放在现实生活中就是学生是一个人

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。

class A { //... };  class B { 	A a; 	//... };

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。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。
对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。因为对象的内部细节是不可见的，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。

7.笔试面试题

什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
①菱形继承是多继承的一种特殊情况。菱形继承是指在C++中使用多重继承时，出现了多个派生类继承同一个基类，而最终有一个类同时继承了这些派生类，形成了一个菱形的继承结构。
②数据冗余和二义性。
什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的？
①为了解决数据冗余和二义性问题，C++提供了虚继承的机制。通过在中间派生类的继承声明中加上关键字virtual，将共同继承的基类标记为虚拟继承。
②虚拟继承确保在最终派生类中只有一份数据成员和函数，解决了数据冗余与二义性问题。
继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
①public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。
②选择继承还是组合取决于具体的需求和设计问题。一般来说，当两个类之间存在明确的层次关系，并且子类是父类的一种特例时，可以使用继承。但是，继承可能导致类之间的耦合度较高，代码结构较为复杂，因此需要慎重使用。而当两个类之间没有明确的层次关系，或者需要构建复杂对象时，可以使用组合。组合可以帮助代码实现更灵活的结构，并且可以随时替换或扩展不同的组件。另外要实现多态，也必须要继承。