使用继承与派生的6大要点

概述

        面向对象编程技术非常看重软件的可重用性，在C++中，可重用性是通过继承机制来实现的。继承机制允许程序员在保持原有类的数据和功能的基础上进行扩展，增加新的数据和功能，从而构成一个新的类，也称为派生类。原有类，一般称之为基类。派生类不仅拥有基类的成员，还拥有自身新增加的成员。继承与派生是C++的重要组成部分，也是C++的基础知识。掌握好了继承与派生，就对面向对象编程技术有了更深刻的理解。关于继承与派生的入门知识，这里就不赘述了，下面将介绍继承与派生相关的一些知识要点。

访问权限

        派生类从基类派生时，有三种继承方式，分别是：公有继承、保护继承、私有继承，分别对应关键字public、protected、private。

        公有继承时，基类中public成员和protected成员在派生类中的访问权限不变，private成员在派生类中不可访问。

        保护继承时，基类中public成员和protected成员在派生类中的访问权限变为protected，private成员在派生类中不可访问。

        私有继承时，基类中public成员和protected成员在派生类中的访问权限都变为private，private成员在派生类中不可访问。

        可通过下表更清晰地看到不同继承方式下，基类成员在派生类中的访问权限。

	基类public成员	基类protected成员	基类private成员
公有继承	public	protected	不可访问
保护继承	protected	protected	不可访问
私有继承	private	private	不可访问

        派生类能否改变基类成员在自身的访问权限呢？答案是肯定的，通过using关键字即可。参看下面的示例代码。

class CBase
{
public:CBase();int m_nData1;protected:int m_nData2;private:int m_nData3;
};CBase::CBase() : m_nData1(6), m_nData2(88), m_nData3(999)
{NULL;
}class CDerived : public CBase
{
public:using CBase::m_nData2;protected:using CBase::m_nData1;using CBase::m_nData3;                    // 编译错误
};CDerived derived;
printf("data1 is %d\n", derived.m_nData1);    // 编译错误
printf("data2 is %d\n", derived.m_nData2);    // 编译正常

        可以看到，通过using 基类::基类成员的方式，可以修改基类成员在派生类中的访问权限。m_nData1原来为public，修改后变为protected。m_nData2原来为protected，修改后变为public。由于m_nData3在基类CBase中为private，故在派生类中无法访问，因此无法通过using CBase::m_nData3修改private成员的访问权限。

构造顺序

        构造派生类的对象时，会按照顺序依次调用以下函数。

        1、所有基类的构造函数。注意是根据继承基类的顺序，而不是派生类中初始化列表的顺序来调用的。

        2、派生类所有成员变量的构造函数。注意是根据声明成员变量的顺序，而不是初始化列表的顺序来调用的。

        3、派生类的构造函数。

        在派生类的初始化列表中，如果没有显式调用基类和成员变量的构造函数，则自动调用基类和成员变量默认的构造函数。另外，销毁派生类对象时，调用析构函数的顺序与上面的顺序正好相反。

        可以通过下面的示例代码更好地理解构造顺序和析构顺序。

class CTemp1
{
public:CTemp1(){printf("CTemp1 constructor\n");}~CTemp1(){printf("CTemp1 destructor\n");}
};class CTemp2
{
public:CTemp2(int nNumber){printf("CTemp2 constructor: %d\n", nNumber);}~CTemp2(){printf("CTemp2 destructor\n");}
};class CTemp3
{
public:CTemp3(){printf("CTemp3 constructor\n");}~CTemp3(){printf("CTemp3 destructor\n");}
};class CBase1
{
public:CBase1(){printf("CBase1 constructor\n");}~CBase1(){printf("CBase1 destructor\n");}
};class CBase2
{
public:CBase2(int nNumber){printf("CBase2 constructor: %d\n", nNumber);}~CBase2(){printf("CBase2 destructor\n");}
};class CBase3
{
public:CBase3(){printf("CBase3 constructor\n");}~CBase3(){printf("CBase3 destructor\n");}
};class CDerived : public CBase1, public CBase2, public CBase3
{
public:CDerived() : m_tmp2(66), m_tmp1(), CBase2(88), CBase1() {printf("CDerived constructor\n");}~CDerived(){printf("CDerived destructor\n");}private:CTemp1 m_tmp1;CTemp2 m_tmp2;CTemp3 m_tmp3;
};CDerived derived;

上述示例的输出如下：

CBase1 constructor
CBase2 constructor: 88
CBase3 constructor
CTemp1 constructor
CTemp2 constructor: 66
CTemp3 constructor
CDerived constructor
CDerived destructor
CTemp3 destructor
CTemp2 destructor
CTemp1 destructor
CBase3 destructor
CBase2 destructor
CBase1 destructor

        从输出可以得出以下几点。

        1、在CDerived的初始化列表中，先初始化了m_tmp2和m_tmp1，但依然先调用了三个基类的构造函数。

        2、在CDerived的初始化列表中，先初始化了CBase2，然后才初始化了CBase1，但依然按照继承基类的顺序先调用了CBase1的构造函数。

        3、在CDerived的初始化列表中，没有初始化CBase3，但依然调用了CBase3的默认构造函数。如果CBase3没有默认构造函数，则编译出错。

        4、在CDerived的初始化列表中，先初始化了m_tmp2，然后才初始化了m_tmp1，但依然按照声明成员变量的顺序先调用了m_tmp1的构造函数。

        5、在CDerived的初始化列表中，没有初始化m_tmp3，但依然调用了m_tmp3的默认构造函数。如果m_tmp3没有默认构造函数，则编译出错。

        6、析构的顺序与构造的顺序正好相反。

同名覆盖

        派生类和基类可以拥有同名的成员，此时，派生类会把基类中所有同名的成员（包括多个重载版本的函数）都覆盖掉。要想调用基类的成员，必须加作用域。

class CBase
{
public:CBase() : m_nData(66){NULL;}void ShowData(){printf("CBase data is %d\n", m_nData);}void ShowData(const std::string &strData){printf("CBase data is %s\n", strData.c_str());}int m_nData;
};class CDerived : public CBase
{
public:CDerived() : CBase(), m_nData(88){NULL;}void ShowData(){printf("CDerived data is %d, %d\n", m_nData, CBase::m_nData);}int m_nData;
};CDerived derived;
derived.ShowData();
derived.ShowData("CSDN");                    // 编译出错
printf("data is %d\n", derived.m_nData);derived.CBase::ShowData();
derived.CBase::ShowData("CSDN");
printf("data is %d\n", derived.CBase::m_nData);CBase *pBase = &derived;
pBase->ShowData();

        上述示例的输出如下：

CDerived data is 88, 66
data is 88
CBase data is 66
CBase data is CSDN
data is 66
CBase data is 66

        可以看到，调用派生类对象derived的成员函数ShowData()和成员变量m_nData时，都是使用的派生类中的成员。调用派生类对象derived的ShowData("CSDN")时，因为同名会覆盖基类中多个重载版本的函数，导致基类中重载字符串参数的函数在派生类中被隐藏了，不可见，故会报编译错误。加上作用域后，便可以指定访问基类中的成员变量和成员函数。另外，将基类指针指向一个派生类对象时，用基类指针调用的都是基类中的成员（不涉及虚函数，属于静态绑定）。

多继承

        多继承是指派生类同时从多个基类派生。如果多个基类中有同名的public和protected成员，则会引起歧义，导致编译出错。由于基类中的private成员在派生类中不可访问，故同名的private成员不会引起问题。解决多基类同名的方法为：使用作用域访问指定基类中的同名成员。可参看下面的示例代码。

class CBase1
{
public:CBase1() : m_nNumber(66), m_strText("Hello"), m_bPassed(true){NULL;}int m_nNumber;protected:std::string m_strText;private:bool m_bPassed;
};class CBase2
{
public:CBase2() : m_nNumber(88), m_strText("CSDN"), m_bPassed(false){NULL;}int m_nNumber;protected:std::string m_strText;private:bool m_bPassed;
};class CDerived : public CBase1, public CBase2
{
public:void Show(){// 编译出错printf("data is %d, %s\n", m_nNumber, m_strText.c_str());// 输出：CBase1 data is 66, Helloprintf("CBase1 data is %d, %s\n", CBase1::m_nNumber, CBase1::m_strText.c_str());//  输出：CBase2 data is 88, CSDNprintf("CBase2 data is %d, %s\n", CBase2::m_nNumber, CBase2::m_strText.c_str());}
};

        可以看到，由于CBase1和CBase2中均有m_nNumber和m_strText，在CDerived中直接访问这两个成员，会引发编译错误。通过指定作用域CBase1::和CBase2::，可以在派生类中指定访问CBase1和CBase2的成员。

虚函数

        虚函数在C++中主要是为了实现多态机制。所谓多态，也就是用基类的指针指向派生类的实例，然后通过基类的指针调用派生类实例的成员函数。可参看下面的示例代码。

class CBase
{
public:CBase() : m_nData1(66){NULL;}virtual void Test1(){printf("CBase Test1\n");}virtual void Test2(){printf("CBase Test2\n");}virtual void Test3(){printf("CBase Test3\n");}private:int m_nData1;
};class CDerived : public CBase
{
public:CDerived() : CBase(), m_nData2(88){NULL;}virtual void Test1(){printf("CDerived Test1\n");}virtual void Test2(){printf("CDerived Test2\n");}private:int m_nData2;
};CBase *pBase = new CDerived();
pBase->Test1();        // 输出：CDerived Test1
pBase->Test2();        // 输出：CDerived Test2

        可以看到，通过基类指针pBase调用虚函数Test1和Test2时，调用的是派生类中的函数。

        那么，虚函数是如何实现的呢？

        在C++中，具有虚函数的类都有一张虚函数表。这个表相当于一个一维数组，用于存储类中所有虚函数的地址。编译器必须保证对象实例最开始的位置存放指向虚函数表的指针，然后才能存放其他成员。可通过下面的示例代码来理解虚函数表的概念。

typedef void (*Test)();CBase base;
Test pTest1 = (Test)*((size_t *)*(size_t *)(&base));
pTest1();
Test pTest2 = (Test)*((size_t *)*(size_t *)(&base) + 1);
pTest2();
int nData = (int)*((size_t *)(&base) + 1);
printf("data is %d\n", nData);CDerived derived;
pTest1 = (Test)*((size_t *)*(size_t *)(&derived));
pTest1();
pTest2 = (Test)*((size_t *)*(size_t *)(&derived) + 1);
pTest2();
Test pTest3 = (Test)*((size_t *)*(size_t *)(&derived) + 2);
pTest3();
int nData1 = (int)*((size_t *)(&derived) + 1);
int nData2 = (int)*((size_t *)(&derived) + 2);
printf("data is %d, %d\n", nData1, nData2);

上述示例的输出如下：

CBase Test1
CBase Test2
data is 66
CDerived Test1
CDerived Test2
CBase Test3
data is 66, 88

        可以看到，我们完全通过指针的操作就访问了类实例中的虚函数和成员变量。在上面的代码中，(size_t *)(&base)为指向虚函数表的指针，*(size_t *)(&base)为虚函数表的地址，相当于一维数组的地址，(size_t *)*(size_t *)(&base)指向虚函数表中第一个虚函数的地址，*((size_t *)*(size_t *)(&base))则是第一个虚函数。其他虚函数和成员变量的指针转换与此类似，这里不再赘述。下图给出了类实例base和derived的内存布局结构，供大家参考。

        上面讨论的都是单继承的情况，多继承时，原理类似，只是更复杂些，这里就不再深入介绍了。

虚继承

        虚继承是为了解决菱形继承中，存在多份公共基类的拷贝，从而导致二义性的问题。在定义派生类时，如果在基类的名字前面加上virtual关键字，则构成虚继承。先通过下面的示例代码来看看菱形继承的问题。

class CBase
{
public:CBase() : m_nNumber(1){printf("CBase default constructor\n");}CBase(int nNumber) : m_nNumber(nNumber){printf("CBase constructor: %d\n", nNumber);}protected:int m_nNumber;
};class CDerived1 : public CBase
{
public:CDerived1() : CBase(66){printf("CDerived1 constructor\n");}
};class CDerived2 : public CBase
{
public:CDerived2() : CBase(88){printf("CDerived2 constructor\n");}
};class CFinal : public CDerived1, public CDerived2
{
public:CFinal() : CDerived1(), CDerived2(){printf("CFinal constructor\n");}void Show(){printf("CFinal show: %d\n", m_nNumber);    // 编译出错printf("CFinal show 1: %d\n", CDerived1::m_nNumber);printf("CFinal show 2: %d\n", CDerived2::m_nNumber);}
};CFinal final;
final.Show();

        上述示例的输出如下：

CBase constructor: 66
CDerived1 constructor
CBase constructor: 88
CDerived2 constructor
CFinal constructor
CFinal show 1: 66
CFinal show 2: 88

        可以看到，CFinal继承了CDerived1和CDerived2，而CDerived1和CDerived2都继承了CBase。在CFinal中直接访问公共基类CBase中的成员变量m_nNumber时，便会存在二义性问题。虽然可以通过指定作用域来分别访问CDerived1和CDerived2中的m_nNumber，但CBase存在多份的问题仍然存在（调用了两次CBase的构造函数）。

        再来看看使用虚继承时的示例代码。

class CBase
{
public:CBase() : m_nNumber(1){printf("CBase default constructor\n");}CBase(int nNumber) : m_nNumber(nNumber){printf("CBase constructor: %d\n", nNumber);}protected:int m_nNumber;
};class CDerived1 : public virtual CBase
{
public:CDerived1() : CBase(66){printf("CDerived1 constructor\n");}
};class CDerived2 : public virtual CBase
{
public:CDerived2() : CBase(88){printf("CDerived2 constructor\n");}
};class CFinal : public CDerived1, public CDerived2
{
public:CFinal() : CDerived1(), CDerived2(){printf("CFinal constructor\n");}void Show(){printf("CFinal show: %d\n", m_nNumber);    // 编译正常printf("CFinal show 1: %d\n", CDerived1::m_nNumber);printf("CFinal show 2: %d\n", CDerived2::m_nNumber);}
};CFinal final;
final.Show();

上述示例的输出如下：

CBase default constructor
CDerived1 constructor
CDerived2 constructor
CFinal constructor
CFinal show: 1
CFinal show 1: 1
CFinal show 2: 1

        可以看到，使用虚继承后，公共基类CBase的构造函数只调用了一次，且调用的是默认构造函数。这是因为虚基类的构造函数比较特殊，与常规的构造函数有所不同。由于从虚基类派生出来的每一个派生类中，其构造函数都调用了基类的构造函数，这样编译器就无法确定到底用哪一个派生类来构造基类对象。最终，编译器会忽略所有派生类中对基类构造函数的调用，而选择调用基类的默认构造函数。

        如果基类的默认构造函数不存在，则编译器将报错。解决该问题的方法是：显式在CFinal中调用CBase的其他构造函数。示例代码如下：

class CFinal : public CDerived1, public CDerived2
{
public:CFinal() : CDerived1(), CDerived2(), CBase(2){printf("CFinal constructor\n");}void Show(){printf("CFinal show: %d\n", m_nNumber);printf("CFinal show 1: %d\n", CDerived1::m_nNumber);printf("CFinal show 2: %d\n", CDerived2::m_nNumber);}
};