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移除书签第10章 实现继承
面向对象编程基于 4 个重要方面：封装、抽象、继承和多态。继承是一种强大的属性重用方式，是通向多态的跳板。
在本章中，您将学习：
• 编程意义的继承；
• C++继承语法；
• 公有继承、私有继承和保护继承；
• 多继承；
• 隐藏基类方法和切除（slicing）导致的问题。
10.1 继承基础
在Tom Smith从祖先那里继承的东西中，最重要的是姓，因此他姓Smith。另外，他还从父母那里继承了某些价值观以及木雕手艺，因为Smith家族数代人都从事木雕行业。这些属性一起标识了Tom作为Smith家族后代的身份。
在编程领域，您经常会遇到具有类似属性，但细节或行为存在细微差异的组件。在这些情形下，一种解决之道是将每个组件声明为一个类，并在每个类中实现所有的属性，这将重复实现相同的属性。另一种解决方案是使用继承，从同一个基类派生出类似的类，在基类中实现所有通用的功能，并在派生类中覆盖基本功能，以实现让每个类都独一无二的行为。第二种方法通常更佳。面向对象编程支持继承，如图10.1所示。
图10.1 类之间的继承关系
图10.1说明了基类与派生类之间的关系。现在要明白基类和派生类是什么可能不容易；派生类继承了基类，从这种意义上说，它是一个基类，就像Tom是Smith家族的成员一样。
派生类和基类之间的这种is-a关系仅适用于公有继承。本章首先介绍公有继承，让您明白继承的概念以及最常见的继承方式，然后再介绍私有和保护继承。
为方便理解这种概念，先来看基类Bird（鸟）。Crow（乌鸦）、Parrot（鹦鹉）和Kiwi（鹬鸵）都是从Bird派生而来的。Bird类将定义鸟的最基本属性，如有羽毛和翅膀、孵蛋、能飞。派生类Crow、Parrot和Kiwi继承这些属性，并进行定制（例如，Kiwi不包含Fly()的实现）。表10.1说明了其他几个继承的例子。
表10.1 日常生活中的公有继承示例
这些示例表明，戴上面向对象编程的眼镜后，就可在周围的很多物体中看到继承的例子。鱼是金枪鱼的基类，因为与鲤鱼一样，金枪鱼也是一种鱼，具备鱼的所有特征，如冷血。然而，金枪鱼在外观、游泳方式上不同于鲤鱼，另外，它是一种海水鱼。因此，金枪鱼和鲤鱼都从基类鱼那里继承了一些共同的特征，同时新增了一些特征，让它们彼此不同。图10.2说明了这一点。
图10.2 Tuna、Carp和Fish之间的继承关系
鸭嘴兽（Platypus）能游，但是一种特殊动物，具备哺乳动物的特征，如通过哺乳喂养后代，同时具备鸟类的特征（如产卵）和爬行动物的特征（有毒腺）。因此，可将Platypus类视为继承了两个基类——Mammal和Bird。这种继承被称为多继承，将在本章后面讨论。
如何从Fish类派生出Carp类呢？C++派生语法如下：
其中access-specifier可以是public（这是最常见的，表示派生类是一个基类）、private或protected （表示派生类有一个基类）。
下面的继承层次结构表明，Carp类是从Fish类派生而来的：
程序清单10.1从Fish类派生出了Carp和Tuna类，这些代码能够通过编译。
有关术语的说明
阅读介绍继承的文献时，您将遇到“从…继承而来”和“从…派生而来”等术语，它们的含义相同。
同样，基类也被称为超类；从基类派生而来的类称为派生类，也叫子类。
程序清单10.1 鱼类世界呈现的一种简单的继承层次结构
输出：
分析：
在main()中，第37和38行分别创建了一个Carp对象和一个Tuna对象：MyLunch和MyDinner。第43和46行调用方法Swim()让这些对象游动。接下来，看看Tuna和Carp的类定义，如第17～24行和第26～33行所示。正如您看到的，这些类非常紧凑，好像都没有定义main()中调用的Swim()方法。显然，Swim()来自第3～15行定义的基类Fish。由于Fish类声明了公有方法Swim()，从Fish类（通过公有继承，如第17和26行所示）派生而来的Tuna和Carp类将自动暴露该基类的公有方法Swim()。注意到Carp和Tuna类的构造函数初始化了基类的FreshWaterFish标记，该标记决定了Fish::Swim()显示的输出。
在程序清单10.1中，Fish类包含公有属性FreshWaterFish。派生类Tuna和Carp通过设置它来定制Fish的行为——在海水还是淡水中游动。然而，程序清单10.1存在一个严重的缺陷：如果您愿意，可在main()中修改这个被声明为公有的标记，这为在Fish类外部使用类似于下面的代码操纵该标记打开了方便之门：
这种缺陷显然应该避免。您需要让基类的某些属性能在派生类中访问，但不能在继承层次结构外部访问。这意味着您希望Fish类的布尔标记FreshWaterFish可在派生类Tuna和Carp中访问，但不能在实例化Tuna和Carp的main()中访问。为此，可使用关键字protected。
与public和private一样，protected也是一个访问限定符。将属性声明为protected时，相当于允许派生类和友元类访问它，但禁止在继承层次结构外部（包括main()）访问它。
要让派生类能够访问基类的某个属性，可使用访问限定符protected，如程序清单10.2所示。
程序清单10.2 一种更好的Fish类设计，它使用关键字protected将成员属性只暴露给派生类
输出：
分析：
虽然程序清单10.2的输出与程序清单10.1相同，但对Fish类做了大量重要的修改，如第3～19行所示。第一项也是最显而易见的修改是，布尔成员Fish::FreshWaterFish现在是一个protected属性，因此不能在main()中访问，如第51行所示（如果取消对这行的注释，将导致编译错误）。但在派生类Tuna和Carp中，仍可访问这个protected属性，如第23和32行所示。这个小程序表明，通过使用关键字protected，可对需要继承的基类属性进行保护，禁止在继承层次结构外部访问它。
这是面向对象编程的一个非常重要的方面，它与数据抽象和继承一起确保派生类可安全地继承基类的属性，同时禁止在继承层次结构外部对其进行修改。
如果基类包含重载的构造函数，需要在实例化时给它提供实参，该怎么办呢？创建派生对象时将如何实例化这样的基类？方法是使用初始化列表，并通过派生类的构造函数调用合适的基类构造函数，如下面的代码所示：
对 Fish 类来说，这种机制很有用。通过给 Fish 的构造函数提供一个布尔输入参数，以初始化Fish::FreshWaterFish，可强制每个派生类都指出它是淡水鱼还是海水鱼，如程序清单10.3所示。
程序清单10.3 包含初始化列表的派生类构造函数
输出：
分析：
现在，Fish 有一个构造函数，它接受一个默认参数，用于初始化 Fish::FreshWaterFish。因此，要创建Fish对象，必须提供一个用于初始化该保护成员的参数。这样，Fish类便避免了保护成员包含随机值，尤其是派生类忘记设置它时。派生类Tuna和Carp被迫定义一个这样的构造函数，即使用合适的参数（true或false，表示是否是淡水鱼）来实例化基类Fish，如第24和30行所示。
在程序清单10.3中，派生类没有直接访问布尔成员变量Fish::FreshWaterFish，虽然这是一个protected成员，这是因为这个变量是通过Fish的构造函数设置的。
为最大限度地提高安全性，对于派生类不需要访问的基类属性，别忘了将其声明为私有的。
如果派生类实现了从基类继承的函数，且返回值和特征标相同，就相当于覆盖了基类的这个方法，如下面的代码所示：
因此，如果使用Derived类的实例调用方法DoSomething()，调用的将不是Base类中的这个方法。
如果Tuna和Carp类实现了自己的Swim()方法，则在程序清单10.3的main()中，下述代码将调用Tuna::Swim()的实现，这相当于覆盖了基类Fish的方法Swim()：
程序清单10.4演示了这一点。
程序清单10.4 派生类Tuna和Carp覆盖了基类Fish的方法Swim()
输出：
分析：
输出表明，第51行的myLunch.Swim()调用的是第37～40行定义的Carp::Swim()。同样，第54行的myDinner.Swim()调用的是第26～29行定义的Tuna::Swim()。换句话说，基类Fish中Swim()的实现（第12～18行）被派生类Tuna和Carp类中的Swim()覆盖了。要调用Fish::Swim()，要么让派生类在其成员函数中显式地使用它，要么在main()中使用作用域解析运算符显式地调用它，这将在本章后面演示。
在程序清单10.4中，派生类Tuna通过实现Swim()覆盖了Fish类的Swim()函数，其结果如下：
在程序清单10.4中，如果要在main()中调用Fish::Swim()，需要使用作用域解析运算符（::），如下所示：
稍后的程序清单10.5演示了如何通过派生类的实例调用基类的成员。
通常，Fish::Swim()包含适用于所有鱼类（包括金枪鱼和鲤鱼）的通用实现。如果要在Tuna::Swim()和Carp::Swim()的实现中重用Fish::Swim()的通用实现，可使用作用域解析运算符（::），如下面的代码所示：
程序清单10.5演示了这一点。
程序清单10.5 在基类方法和main()中，使用作用域解析运算符（::）来调用基类方法
输出：
分析：
第 37～41 行的 Carp::Swim()使用作用域解析运算符（::）调用了基类方法 Fish::Swim()，而第 55行演示了如何在main中，使用作用域解析运算符（::）通过Tuna实例调用基类方法Fish::Swim()。
覆盖的一种极端情形是，Tuna::Swim()可能隐藏 Fish::Swim()的所有重载版本，使得调用这些重载版本会导致编译错误（因此称为被隐藏），程序清单10.6演示了这一点。
程序清单10.6 Tuna::Swim()隐藏了重载方法Fish::Swim(bool)
输出：
分析：
这个版本的Fish类与前面的Fish类有点不同。除采用尽可能简单的版本诠释当前问题外，这个 Fish 版本还包含两个重载的 Swim()方法：一个不接受任何参数，如第 6～9 行所示，另一个接受一个bool参数，如第11～17行所示。鉴于Tuna以公有方式继承了Fish，您可能认为通过Tuna实例可调用这两个版本的Fish::Swim()方法。然而，由于Tuna实现了自己的Tuna::Swim()，如第23～26行所示，这对编译器隐藏了Fish::Swim(bool)。如果取消对第35行的注释，将出现编译错误。
要通过Tuna实例调用Fish::Swim(bool)，可采用如下解决方案。
• 解决方案1：在main()中使用作用域解析运算符（::）。
• 解决方案2：在Tuna类中，使用关键字using解除对Fish::Swim()的隐藏。
• 解决方案3：在Tuna类中，覆盖Fish::Swim()的所有重载版本（如果需要，可通过Tuna::Fish(…)调用方法Fish::Swim()）。
如果Tuna类是从Fish类派生而来的，创建Tuna对象时，先调用Tuna的构造函数还是Fish的构造函数？另外，实例化对象时，成员属性（如 Fish::FreshWaterFish）是调用构造函数之前还是之后实例化？基类对象在派生类对象之前被实例化，因此，首先构造Tuna对象的Fish部分，这样实例化Tuna部分时，成员属性（具体地说是Fish的保护和公有属性）已准备就绪，可以使用了。实例化Fish部分和 Tuna 部分时，先实例化成员属性（如 Fish::FreshWaterFish），再调用构造函数，确保成员属性准备就绪，可供构造函数使用。这也适用于Tuna::Tuna()。
Tuna实例不再在作用域内时，析构顺序与构造顺序相反。程序清单10.7所示的简单示例演示了构造顺序和析构顺序。
程序清单10.7 基类、派生类及其成员的构造顺序和析构顺序
输出：
分析：
第67～70行的main()很短，但输出量很大。实例化一个Tuna对象就生成了这些输出，这是由于构造函数和析构函数包含cout语句。为帮助理解成员变量是如何被实例化和销毁的，定义了两个毫无用途的类——FishDummyMember 和 TunaDummyMember，并在其构造函数和析构函数中包含了 cout语句。Fish和Tuna类分别将这些类的对象作为成员，如第20和53行所示。输出表明，实例化Tuna对象时，将从继承层次结构顶部开始，因此首先实例化Tuna对象的Fish部分。为此，首先实例化Fish的成员属性，即Fish::dummy。构造好成员属性（如dummy）后，将调用Fish的构造函数。构造好基类部分后，将实例化Tuna部分——首先实例化成员Tuna::dummy，再执行构造函数Tuna::Tuna()的代码。输出表明，析构顺序正好相反。
10.2 私有继承
前面介绍的都是公有继承，私有继承的不同之处在于，指定派生类的基类时使用关键字private：
私有继承意味着在派生类的实例中，基类的所有公有成员和方法都是私有的——不能从外部访问。换句话说，即便是 Base 类的公有成员和方法，也只能被 Derived 类使用，而无法通过 Derived实例来使用它们。
这与前面的示例截然不同。在程序清单10.1中，可在main()中通过Tuna实例调用Fish::Swim()，因为 Fish::Swim()是个公有方法，且 Tuna类是以公有方式从 Fish类派生而来的。如果将第 17行的public改为private，该程序清单将无法通过编译。
因此，从继承层次结构外部看，私有继承并非 is-a 关系。私有继承使得只有子类才能使用基类的属性和方法，因此也被称为has-a关系。在现实世界中，存在一些私有继承的例子，如表10.2所示。
表10.2 现实世界的私有继承示例
下面来看看汽车与发动机之间的私有继承关系，如程序清单10.8所示。
程序清单10.8 Car类以私有方式继承Motor类
输出：
分析：
Motor 类是在第3～18行定义的，它非常简单，包含3 个公有的成员函数，它们分别开启点火开关、喷油和点火。Car类使用关键字private继承了Motor类，如第20行所示。公有函数Car::Move()调用了基类Motor的成员函数。如果在main()中插入下述代码：
将无法通过编译，编译错误类似于下面这样：error C2247: Motor::PumpFuel not accessible because ‘Car’ uses ‘private’ to inherit from ‘Motor’。
如果有一个SuperCar类，它继承了Car类，则不管SuperCar和Car之间的继承关系是什么样的，SuperCar都不能访问基类Motor的公有成员和方法。这是因为Car和Motor之间是私有继承关系，这意味着除Car外，其他所有实体都不能访问Motor的公有成员。换句话说，编译器在确定派生类能否访问基类的公有或保护成员时，考虑的是继承层次结构中最严格的访问限定符。
10.3 保护继承
保护继承不同于公有继承之处在于，声明派生类继承基类时使用关键字protected：
保护继承与私有继承的类似之处如下：
• 它也表示has-a关系；
• 它也让派生类能够访问基类的所有公有和保护成员；
• 在继承层次结构外面，也不能通过派生类实例访问基类的公有成员。
随着继承层次结构的加深，保护继承将与私有继承有些不同：
在保护继承层次结构中，子类的子类（即Derived2）能够访问Base类的公有成员，如程序清单10.9所示。如果Derived和Base之间的继承关系是私有的，就不能这样做。
程序清单10.9 SuperCar类以保护方式继承了Car类，而Car类以保护方式继承了Motor类
输出：
分析：
Car类以保护方式继承了Motor类，如第20行所示，而SuperCar类以保护方式继承了Car类，如第31 行所示。正如您看到的，SuperCar::Move()的实现使用了基类 Motor 中定义的公有方法。能否经由中间基类Car访问终极基类Motor的公有成员呢？这取决于Car和Motor之间的继承关系。如果继承关系是私有的，而不是保护的，SuperCar将不能访问Motor类的公有成员，因为编译器根据最严格的访问限定符来确定访问权。请注意，SuperCar和Car之间的继承关系不会影响它对Motor类公有成员的访问权，因此即便将第31行的protected改为public或private，也改变不了这个程序能否通过编译的命运。
仅当必要时才使用私有或保护继承。
对于大多数使用私有继承的情形（如Car和Motor之间的私有继承），更好的选择是，将基类对象作为派生类的一个成员属性。通过继承Motor类，相当于对Car类进行了限制，使其只能有一台发动机，同时，相比于将Motor对象作为私有成员，没有任何好处可言。汽车在不断发展，例如，混合动力车除电力发动机外，还有一台汽油发动机。在这种情况下，让Car类继承Motor类将成为兼容性瓶颈。
将Motor对象作为Car类的私有成员被称为组合（composition）或聚合（aggergation），这样的Car类类似于下面这样：
这是一种不错的设计，让您能够轻松地在Car类中添加Motor成员，而无需改变继承层次机构，也不用修改客户看到的设计。
10.4 切除问题
如果程序员像下面这样做，结果将如何呢？
如果程序员像下面这样做，结果又将如何呢？
它们都将Derived对象复制给Base对象，一个是通过显式复制，另一个是通过传递参数。在这些情形下，编译器将只复制objectDerived的Base部分，即不是整个对象，而是Base能容纳的部分，这通常不是程序员的本意。这种无意间裁减数据，导致Derived变成Base的行为称为切除（slicing）。
要避免切除问题，不要按值传递参数，而应以指向基类的指针或const引用的方式传递。
10.5 多继承
本章前面说过，在有些情况下，采用多继承是合适的，如对鸭嘴兽来说就很合适，这是因为鸭嘴兽具备哺乳动物、鸟类和爬行动物的特征。为应对这样的情形，C++允许继承多个基类：
图10.3是Platypus（鸭嘴兽）的类图，这与Tuna和Carp的类图（见图10.2）完全不同。
图10.3 Platypus类与Mammal、Reptile和Bird类之间的关系
因此，表示Platypus类的C++代码如下：
程序清单10.10的Platypus类演示了多继承。
程序清单10.10 使用多继承模拟具备哺乳动物、鸟类和爬行动物特征的鸭嘴兽
输出：
分析：
Platypus类的定义非常简单，如第30～37行所示。除继承Mammal、Reptile和Bird等3个类外，它几乎什么都没做。在main()中的第41～44行，可通过派生类Platypus的对象调用这3个基类的方法，该对象被恰当地命名为realFreak。除调用从Mammal、Reptile和Bird类继承而来的方法外，第45行还调用了Platypus::Swim()。这个程序演示了多继承的语法，还表明派生类暴露了从众多基类继承而来的公有属性（这里是公有成员方法）。
鸭嘴兽会游泳，但不属于鱼类。因此，在程序清单 10.10 中，没有仅为方便使用现有的Fish::Swim()函数，而让Platypus也继承Fish。做设计决策时，别忘了公有继承应表示is-a关系，因此不应为实现重用目标而不分青红皂白地使用公有继承。可采取其他方式实现这种目标。
10.6 总结
在本章中，您学习了C++继承的基本知识。您了解到，公有继承在派生类和基类之间建立is-a关系，而私有和保护继承建立has-a关系。您得知，通过使用访问限定符protected，可将基类的属性暴露给派生类，同时对继承层次结构外部隐藏它们。您了解到，保护继承与私有继承的不同之处在于，派生类的子类可访问基类的公有和保护成员，而使用私有继承时不能。您学习了覆盖和隐藏方法的基本知识，还知道可使用关键字using避免隐藏方法。
现在，您可以回答一些问题，然后选择面向对象编程的下一个主要支柱——多态。
10.7 问与答
问：我需要模拟哺乳动物（Mammal）以及一些具体的哺乳动物，如人（Human）、狮子（Lion）和鲸鱼（Whale）。我该使用继承层次结构吗？如果该使用，应使用哪种继承关系？
答：鉴于人、狮子和鲸鱼都是哺乳动物，这是is-a关系，因此应使用公有继承，并将Mammal作为基类，而Human、Lion和Whale类从它派生而来。
问：术语派生类和子类有何不同？
答：是一回事，它们都表示从基类派生而来的类。
问：以公有方式继承基类的派生类能访问基类的私有成员吗？
答：不能。编译器总是执行最严格的访问限定符。无论继承关系如何，类的私有成员都不能在类外访问，一个例外是类的友元函数和友元类。
10.8 作业
作业包括测验和练习，前者帮助读者加深对所学知识的理解，后者提供了使用新学知识的机会。请尽量先完成测验和练习题，然后再对照附录D的答案。在继续学习下一章前，请务必弄懂这些答案。
1．我希望基类的某些成员可在派生类中访问，但不能在继承层次结构外访问，该使用哪种访问限定符？
2．如果一个函数接受一个基类对象作为参数，而我将一个派生类对象作为实参按值传递给它，结果将如何？
3．该使用私有继承还是组合？
4．在继承层次结构中，关键字using有何用途？
5．Derived 类以私有方式继承了 Base 类，而 SubDerived 类以公有方式继承了 Derived 类。请问SubDerived类能访问Base类的公有成员吗？
1．创建程序清单10.10所示的Platypus对象时，将以什么样的顺序调用构造函数？
2．使用代码说明Polygon、Triangle和Shape类之间的关系。
3．D2类继承了D1类，而D1类继承了Base类。要禁止D2访问Base的公有方法，应使用哪种访问限定符？在什么地方使用？
4．下面的代码表示哪种继承关系？
5．查错：下述代码有何问题？
