C++詳細講解繼承與虛繼承實現

繼承的概念及定義

概念：

繼承機制是物件導向程式設計為了提高程式碼複用率的一種手段，它可以保持原類特性的基礎上進行拓展，簡單來說繼承是類層次的複用。

接下來我們來看一個簡單的繼承

class Person
{
public:
    void Print()
    {
        cout<<"name:"<<_name<<endl;
        cout<<"age:"<<_age<<endl;
    }
protected:
    string _name="zhao";
    int _age=18;
};
class Student : public Person
{
protected:
    int _stuid;
};
class Teacher :public Person
{
protected:
    int _jobid;
};

在上面這個類中繼承後父類別（Person）的成員都會變成子類的一部分。

定義：

格式：

class 子類：

public 父類別{ }；

繼承關係和存取限定符

繼承基礎類別成員存取方式的變化

總結

• 基礎類別private成員在派生類中無論以什麼方式繼承都是不可見的。這裡的不可見是指基礎類別的私有成員還是被繼承到了派生類物件中，但是語法上限制派生類物件不管在類裡面還是類外面都不能去存取它。
• 基礎類別private成員在派生類中是不能被存取，如果基礎類別成員不想在類外直接被存取，但需要在派生類中能存取，就定義為protected。可以看出保護成員限定符是因繼承才出現的。
• 實際上面的表格我們進行一下總結會發現，基礎類別的私有成員在子類都是不可見。基礎類別的其他成員在子類的存取方式 == Min(成員在基礎類別的存取限定符，繼承方式)，public > protected > private。
• 使用關鍵字class時預設的繼承方式是private，使用struct時預設的繼承方式是public，不過最好顯示的寫出繼承方式。
• 在實際運用中一般使用都是public繼承，幾乎很少使用protetced/private繼承，也不提倡使用protetced/private繼承，因為protetced/private繼承下來的成員都只能在派生類的類裡面使用，實際中擴充套件維護性不強。

基礎類別和派生類物件賦值轉換

派生類物件可以賦值給基礎類別的物件/指標/參照。這裡有一個形象的書法叫做切片或切割

基礎類別物件不能賦值給派生類物件

基礎類別的指標可以通過強制型別轉換賦值給派生類的指標。但是必須是基礎類別的指標是指向派生類物件時才是安全地。

繼承中的作用域

在繼承體系中基礎類別和派生類都有獨立的作用域。

子類和父類別中有同名成員；子類成員將遮蔽父類別對同名成員的直接存取，這種情況叫做隱藏，也叫作重定義。如果要存取父類別的成員可以使用域作用限定符進行存取。

注意函數構成隱藏的話只需要函數名相同。

實際在繼承體系裡面最好不要定義同名的成員。

派生類的預設成員函數

在這裡又把類與物件中學的六個預設成員函數拉出來了，那麼在繼承體系中這幾個成員函數是如何生成的呢？

• 建構函式：派生類別建構函式必須基礎類別的建構函式初始化基礎類別的那部分成員。如果基礎類別沒有預設的建構函式，則必須在派生類建構函式的初始化列表階段顯示呼叫。
• 拷貝建構函式：派生類的拷貝建構函式必須呼叫基礎類別的拷貝構造完成基礎類別的拷貝初始化。
• 賦值過載：派生類operator=必須要呼叫基礎類別的operator=完成基礎類別的賦值。
• 解構函式：派生類的解構函式會在被呼叫完成後自動呼叫基礎類別的解構函式清理基礎類別成員。因為這樣才能保證派生類物件先清理派生類成員再清理基礎類別成員的順序。

派生類物件初始化先呼叫基礎類別構造再調派生類構造

派生類物件解構清理先呼叫派生類解構再調基礎類別的解構。

簡單的運用：

class Person
{
public:
    Person(const  char* name="zhao")
        :_name(name)
        {
            cout<<"父構造"<<endl;
        }
    Person(const Person& p)
        :_name(p.name)
        {
            cout<<"父拷貝構造"<<endl;
        }
    Person& operator=(const Person& p)
    {
        cout<<"父賦值過載"<<endl;
        if(this!=&p)
            _name=p.name;
        return *this;
            
    }
    ~Person()
    {
        cout<<"父解構"<<endl;
    }
protected:
    string _name;
};
class Student:public Person
{
public:
    Student(const char* name,int num)
        :Person(name)
        ,_num(num)
    {
        cout<<"子構造"<<endl;
    }
    Student(const Student& s)
        :Person(s)
        ,_num(num)
    {
        cout<<"子拷貝構造"<<endl;
    }
    Student& operator=(const Student& s)
    {
        cout<<"子賦值過載"<<endl;
        if(this!=&s)
        {
        //小心這裡是隱藏
            Person::operator=(s);
            _num=s._num;
        }
        return *this;
    }
    //需要注意在這塊~Student()和~Person()構成隱藏，這是由於多型的一些原因，任何類解構函式名都會被統一處理為destructor()
    ~Student()
    {
        cout<<"子解構"<<endl;
        //為了保證解構時，保持先子再父的後進先出的解構順序，子類解構函式完成後，會自動去呼叫父類別的解構函式。
    }
protected:
    int _num;
    
};

繼承與友元

友元關係不能繼承，也就是說基礎類別友元不是子類的友元。

繼承與靜態成員

基礎類別定義了static靜態成員，則整個繼承體系裡面只有一個這樣的成員，無論派生出多少個子類，都只有一個static成員範例。

class Person
{
public :
    Person () {++ _count ;}
protected :
    string _name ; // 姓名
public :
    static int _count; // 統計人的個數。
};
int Person :: _count = 0;
class Student : public Person
{
protected :
    int _stuNum ; // 學號
};
class Graduate : public Student
{
protected :
    string _seminarCourse ; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
    Student s1 ;
    Student s2 ;
    Student s3 ;
    Graduate s4 ;
    cout <<" 人數 :"<< Person ::_count << endl;
    Student ::_count = 0;
    cout <<" 人數 :"<< Person ::_count << endl;
}

複雜的菱形繼承及菱形虛擬繼承

單繼承：一個子類只有一個直接父類別時稱這個繼承關係為單繼承

多繼承：一個子類有兩個或以上直接父類別時稱這個繼承關係為多繼承

菱形繼承：菱形繼承是多繼承的一種特殊情況。

菱形繼承的問題：從下面的物件成員模型構造，可以看出菱形繼承有資料冗餘和二義性的問題。在Assistant的物件中Person成員會有兩份。

虛擬繼承可以解決菱形繼承的二義性和資料冗餘的問題。如上面的繼承關係，在Student和Teacher的繼承Person時使用虛擬繼承，即可解決問題。需要注意的是，虛擬繼承不要在其他地方去使用

虛擬繼承解決資料冗餘和二義性的原理為了研究虛擬繼承原理，我們給出了一個簡化的菱形繼承繼承體系，再借助記憶體視窗觀察物件成員的模型。

虛繼承原理

虛繼承實現：

在腰部兩個繼承之前加上關鍵字vittul,實現虛繼承。

class Animal{
    public:
    int _a;
}
class Tuo:virtual public Animal
{
    public:
    int _b;
}
class Sheep:virtual public Animal
{
    public:
    int _c;
}
class SheepTuo:public B ,public C
{
    public:
    int _b;
}

要探究虛繼承如何實現，需要借用VS的開發人員命令提示工具，在VS2019的工具->命令列->開發者命令提示中。cd到當前專案的目錄，輸入cl /d1reportSingleClassLayout"要檢視的類名" “檔名”，在這裡就是cl/d1reportSingleClassLayoutSheepTuo diamond_Inherit.cpp。可以看到當前類記憶體的結構。（編譯後才能檢視到記憶體分佈）

這個圖就是記憶體結構，可以看到，SheepTuo類中分別繼承了來自Sheep類的vbptr（虛基礎類別指標）和Tuo類的vbptr（虛基礎類別指標）。這個虛基礎類別指標指向的是一個虛基礎類別表，可以在圖中看到虛基礎類別表中第一項儲存的是vbptr與本類的偏移地址，也就是繼承過來的Sheep類中初始位置就是存放Sheep類的的vbptr，在這裡為0；第二項是本類的vbptr與虛基礎類別的公有成員之間的偏移量，也就是Sheep的vbptr和Animal類的age之間偏移為8，Tuo的vbptr和age之間偏移量為4。對於虛基礎類別的派生類，虛基礎類別的偏移量由實際型別決定，因此在執行時才可以確定虛基礎類別的地址。

指的注意的是，Sheep類中也是存放了一份age，在這裡還可以看到，Sheep和Tuo的Size都是8，因為除了繼承的age以外，還有Size為4的虛擬函式指標

因為class SheepTuo :public Sheep, public Tuo繼承的時候，把Sheep和Tuo的vbptr都繼承了，然後通過他們類距離虛基礎類別中的公共成員age的偏移量發現他們指向的是同一個age，所以就不會拷貝兩份，SheepTuo只保留一份age。至於虛繼承底層實現原理則與編譯器相關

繼承的總結

很多人說C++語法複雜，其實多繼承就是一個體現。有了多繼承，就存在菱形繼承，有了菱形繼承就有菱形虛擬繼承，底層實現就很複雜。所以一般不建議設計出多繼承，一定不要設計出菱形繼承。否則在複雜度及效能上都有問題。

多繼承可以認為是C++的缺陷之一，很多後來的OO語言都沒有多繼承，如Java

繼承和組合

public繼承是一種is-a的關係。也就是說每個派生類物件都是一個基礎類別物件。

組合是一種has-a的關係。假設B組合了A，每個B物件中都有一個A物件。

優先使用物件組合，而不是類繼承 。

繼承允許你根據基礎類別的實現來定義派生類的實現。這種通過生成派生類的複用通常被稱為白箱複用(white-box reuse)。術語“白箱”是相對可視性而言：在繼承方式中，基礎類別的內部細節對子類可見 。繼承一定程度破壞了基礎類別的封裝，基礎類別的改變，對派生類有很大的影響。派生類和基礎類別間的依賴關係很強，耦合度高。

物件組合是類繼承之外的另一種複用選擇。新的更復雜的功能可以通過組裝或組合物件來獲得。物件組合要求被組合的物件具有良好定義的介面。這種複用風格被稱為黑箱複用(black-box reuse)，因為物件的內部細節是不可見的。物件只以“黑箱”的形式出現。 組合類之間沒有很強的依賴關係，耦合度低。優先使用物件組合有助於你保持每個類被封裝。

實際儘量多去用組合。組合的耦合度低，程式碼維護性好。不過繼承也有用武之地的，有些關係就適合繼承那就用繼承，另外要實現多型，也必須要繼承。類之間的關係可以用繼承，可以用組合，就用組合

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