C++继承

文章目录

• 前言
• 一、访问修饰符
• 二、使用
• • 1.单继承
  • 2.多继承
  • 3.虚继承
  • 4.纯虚函数
  • 5.析构函数与继承
• 三.容易出现的问题
• • 1.菱形继承问题
  • 2.二义性
  • 3.内存布局复杂性
  • 4.代码可读性和维护性下降
  • 5.紧耦合
  • 6.使用推荐
• 四.优缺点
• • 1.C++ 继承的优点
  • 2.C++ 继承的缺点
• 总结

前言

在 C++ 中，继承是面向对象编程（OOP）的一个重要特性，它允许一个类（称为子类或派生类）继承另一个类（称为父类或基类）的属性和方法。通过继承，可以实现代码重用，减少重复代码，并支持多态性。

一、访问修饰符

• Public：基类的公有成员在派生类中仍然是公有的，保护成员在派生类中仍然是保护的。
• Protected：基类的公有和保护成员在派生类中都成为保护成员。
• Private：基类的公有和保护成员在派生类中都成为私有成员。

二、使用

1.单继承

代码如下（示例）：

class Base {
public:
    void publicMethod() { /* ... */ }
protected:
    int protectedVar;
};
// :public Base 就是说以pubiic的方式继承
class Derived : public Base {
public:
    void anotherMethod() {
        // 可以访问 publicMethod 和 protectedVar
    }
};

2.多继承

代码如下（示例）：

class Base1 {
public:
    void methodOfBase1() { /* ... */ }
};

class Base2 {
public:
    void methodOfBase2() { /* ... */ }
};
//这里就是多继承的写法
class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    void derivedMethod() {
        methodOfBase1();
        methodOfBase2();
    }
};

C++ 支持一个类从多个基类继承。

3.虚继承

代码如下（示例）：

class Base {
public:
    virtual ~Base() {}
};
//增加一个virtual关键字
class Derived1 : virtual public Base {};
class Derived2 : virtual public Base {};

class MultiDerived : public Derived1, public Derived2 {
public:
    MultiDerived() {}
};

当存在多重继承且多个基类拥有共同的基类时，可能会导致二义性和重复继承的问题。虚拟继承用于解决这些问题。

4.纯虚函数

class Base {
public:
    virtual void pure_virtual_function() = 0; // 纯虚函数
};

class Derived : public Base {
public:
    void pure_virtual_function() override {
        // 提供具体的实现
    }
};

包含纯虚函数的类被称为抽象类，而不能创建抽象类的对象，只能创建其非抽象派生类的对象。

定义纯虚函数的主要目的是为派生类提供一个统一的接口，同时允许不同的派生类根据自己的特点来实现该接口。继承了抽象类的对象想要实例化，必须重写纯虚函数，这样可以确保所有派生类都必须实现这个函数，从而保证了一定程度上的代码一致性。

5.析构函数与继承

代码如下（示例）：

class Base {
public:
    virtual ~Base() {}
};
//增加一个virtual关键字
class Derived1 : virtual public Base {};
class Derived2 : virtual public Base {};

class MultiDerived : public Derived1, public Derived2 {
public:
    MultiDerived() {}
};

在继承体系中，如果基类定义了析构函数，那么通常应该将其声明为虚函数（virtual），以确保当通过基类指针删除派生类对象时，派生类的析构函数也会被调用。

三.容易出现的问题

1.菱形继承问题

也称为死亡钻石，是面向对象编程中多继承带来的一个经典问题。这个问题得名于继承结构图的形状，该形状类似于菱形或钻石。

在这个例子中，D 类同时继承自 B 和 C，而 B 和 C 都继承自 A。如果 A 中有一个方法或属性，那么在 D 中访问这个成员时就可能出现二义性，因为 D 可以通过 B 或 C 继承得到两个版本的 A 的成员。这在某些语言中会导致编译错误，或者如果不处理好，可能会导致程序行为不符合预期。
可以通过使用虚继承（virtual inheritance）来解决菱形继承的问题。虚继承确保了即使一个类从多个路径继承同一个基类，它也只会拥有该基类的一个实例，从而避免了二义性和重复构造基类的问题。

2.二义性

当一个派生类从多个基类继承，并且这些基类有同名成员时，访问该成员会导致编译器无法确定应该使用哪个基类的成员，从而产生二义性。
解决方法包括显式地指定要使用的基类成员，例如 BaseClass::member，或者通过虚继承来确保只有一个基类副本。

3.内存布局复杂性

多继承和虚继承会增加对象的内存布局复杂度，可能引入额外的指针（如虚表指针），并导致对象大小增加。

4.代码可读性和维护性下降

随着继承层次的加深和复杂性的增加，代码变得更加难以理解和维护。过度依赖继承而非组合，可能会使设计变得脆弱。

5.紧耦合

继承建立了一种强耦合关系，基类的变化可能会影响所有派生类。为了降低这种风险，可以考虑使用接口或纯虚函数类来定义行为契约，而不是具体的实现。

6.使用推荐

为了避免这些问题，开发者应该遵循“组合优于继承”的原则（不知道组合的话可以了解一下），在适当的情况下优先选择对象组合而非继承。此外，使用单一责任原则（SRP）来限制每个类的责任范围，也可以帮助简化继承体系，提高代码的可维护性和灵活性。

四.优缺点

1.C++ 继承的优点

• 代码重用：
  继承允许创建新的类（派生类），这些类可以继承现有类（基类）的属性和方法，从而减少了重复代码的数量，并提高了代码的可维护性。
• 扩展性：
  派生类可以在不修改基类的情况下增加新的功能或覆盖已有功能。这有助于软件的演进和发展，同时保持了旧版本的兼容性。
• 多态性：
  通过虚函数和接口，继承支持运行时多态性，使得程序能够在不知道具体类型的情况下调用对象的方法。这增加了灵活性，简化了复杂系统的设计。
• 层次结构建模：
  继承可以帮助构建清晰的对象层次结构，模拟现实世界中的“is-a”关系，比如“狗是一种动物”，这种关系在某些应用领域（如图形界面、游戏开发等）特别有用。
• 抽象与接口分离：
  使用纯虚函数或抽象类，可以让基类定义一个接口而不提供实现，迫使派生类去实现这些接口，有助于建立良好的设计模式。

2.C++ 继承的缺点

• 紧耦合：
  继承创建了基类和派生类之间的紧密依赖关系，基类的变化可能会影响所有派生类，这可能会导致维护上的困难。
• 脆弱的基类问题：
  基类的一个小改动可能导致所有派生类的行为发生变化，甚至破坏它们的功能。这被称为“脆弱基类问题”。
• 二义性和菱形继承问题：
  在多重继承中，可能会出现二义性或菱形继承问题，这些问题需要额外的机制（如虚拟继承）来解决，但也会增加代码的复杂度。
• 构造和析构顺序的问题：
  构造函数和析构函数的执行顺序是固定的，如果处理不当，可能会导致未初始化成员变量或其他问题。
• 性能开销：
  虚函数调用引入了一定程度的间接性，可能会带来轻微的性能损失。此外，复杂的继承层次可能会增加对象的大小和内存布局的复杂性。
• 设计复杂度：
  过度使用继承会导致类的设计变得复杂，难以理解和维护。尤其是在大型项目中，深且宽的继承树可能会使代码库难以管理。
• 组合优于继承：
  在很多情况下，使用对象组合（Composition）而不是继承能够更好地解决问题，因为组合提供了更大的灵活性，降低了模块间的耦合度。

总结

继承是一个强大的工具，但它并非总是最优的选择。在C++编程中，应该谨慎地评估是否使用继承以及如何使用它。遵循“组合优于继承”的原则，在适当的情况下优先选择组合，可以使代码更加灵活、易于理解和维护。同时，利用继承的优势，如代码重用和多态性，可以有效地提高软件的质量和效率。