【C++】继承与模板

继承

1.继承的概念

概念：继承(inheritace)机制是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加功能，这样产生新的类，称之为派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构，体现了由简单到复杂的认知过程。继承是类设计层次的复用。

//	   派生类  继承方式 基类
class Student:public Person{   
public:int _name;int _sex;
}

• 代码复用：通过继承，派生类可以复用基类的代码，减少重复编写相同功能的需要。
• 扩展性：派生类可以在基类的基础上添加新的成员或方法，扩展功能。
• 层次结构：继承建立了类之间的“is-a”关系，形成了一个类层次结构，有助于组织和理解代码。

2.继承方式和访问限定符

特征	public继承	protected继承	private继承
基类的public成员变成	派生类的public成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的protected成员变成	派生类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的private成员变成	只能通过基类接口访问，派生类中不可见	只能通过基类接口访问，派生类中不可见	只能通过基类接口访问，派生类中不可见
能否隐式向上转换	是	是(但只能在派生类中)	否

注意：

• 基类的private成员派生类不可见(无法直接允许访问)，但可以使用基类public或protected成员函数间接访问。
• 使用关键字class时默认继承方式是private；使用struct时默认继承方式是public。最好显示的写出继承方式，以提高代码的可读性和可维护性。
• public > protected > private,继承方式权限只能缩小不能放大，如基类的public成员的遇到protected继承方式就成了派生类的protected成员。
• 访问限定符在基类中没有体现，在派生类中才产生区别，这也就是访问限定符产生的原因。

struct BaseStruct {
public:int publicMember;
protected:int protectedMember;
private:int privateMember;
};class DerivedClass : BaseStruct { // 默认 private 继承
public:void accessMembers() {publicMember = 1;      // private 继承，基类的 public 成员变为 privateprotectedMember = 2;   // private 继承，基类的 protected 成员变为 private// privateMember = 3;  // 无法访问}
};class DerivedPublic : public BaseStruct { // public 继承
public:void accessMembers() {publicMember = 1;      // 保持 publicprotectedMember = 2;   // 保持 protected// privateMember = 3;  // 无法访问}
};

3.基类和派生类对象赋值转换

3.1 赋值兼容规则:

• 子类对象可以赋值给父类对象、指针或引用(称为”切割“或”切片“)。在这种赋值过程中，派生类特有的成员将被忽略，只保留基类部分。
• 基类对象不能直接赋值给派生对象，因为基类对象不包含派生类新增的成员。

class Person{
public:string _name;int _sex;int _age;
};
class Student : public Person{
public:int _No;
};
int main(){Student s;s.name = "Alice";s.age = 20;s._No = 12345;Person p;p = s; // 切割，只复制基类部分std::cout << p.name << ", " << p.age << std::endl; // 输出：Alice, 20Person* ptr = &s; // 多态，ptr 指向 Student 对象Person& ref = s;  // 引用，ref 引用 Student 对象  return 0;
}

3.2 指针和引用的转换:

• 指针转换：

  • 向上转型（Upcasting）：将派生类指针转换为基类指针，是隐式且安全的。

  • 向下转型（Downcasting）：将基类指针转换为派生类指针，需要使用 dynamic_cast 进行类型检查，确保转换的安全性。

• 引用转换：

• 类似于指针转换，向上转型是隐式的，而向下转型需要显式的类型转换。

int main() {Student s;s.name = "Bob";s.age = 22;s.studentID = 67890;Person* basePtr = &s; // 向上转型，隐式转换basePtr->introduce(); // 调用基类方法// 向下转型，需要使用 dynamic_castStudent* derivedPtr = dynamic_cast<Student*>(basePtr);if (derivedPtr) {derivedPtr->study(); // 调用派生类方法}return 0;
}

4.继承作用域与成员隐藏

• 作用域独立：继承中的基类和派生类都有各自独立的作用域，成员隐藏仅在派生类作用域内有效。
• 成员隐藏：只要成员名称相同，无论类型或参数列表，派生类成员都会重定义(隐藏)基类的成员。

解决函数的隐藏与重载

class A {
public:virtual void fun() {cout << "A::fun()" << endl;}
};class B : public A {
public:void fun(int i) { // 重载，不隐藏基类的 fun()cout << "B::fun(int): " << i << endl;}void callBaseFun() {A::fun(); // 显式调用基类的 fun()}void fun() override { // 重定义cout << "B::fun()" << endl;}
};int main() {B b;b.fun();          // 调用 B::fun()b.fun(10);        // 调用 B::fun(int)b.callBaseFun();  // 调用 A::fun()return 0;
}

• B::fun(int i)：重载了 A::fun()，但不隐藏基类的 fun()，在同一作用域内(派生类B中)。
• B::fun()：重定义了 A::fun()，提供了新的实现。

也可以通过using A::fun引入基类的fun()，从而调用A类的fun方法。

重载、重写和重定义的区别：

特性	重载（Overloading）	重写（Overriding）	重定义（Hiding）
作用域	同一类内	派生类和基类之间	派生类和基类之间
是否需要继承	否	是	是
关键字	无	virtual、override	无
参数列表	必须不同	必须相同	可以不同
返回类型	可以不同	必须相同(或协变)	可以不同
调用时间	编译时决定	运行时决定	编译时决定
用途	提供同名函数的不同版本	实现多态性	派生类中隐藏基类同名函数

5.派生类的默认成员函数

当创建派生类时，编译器会自动为其生成一些默认的成员函数，包括构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符和析构函数。这些默认成员函数在大多数情况下是足够的，但在特定需求下，程序员可以显式地定义或删除它们。

默认成员函数的行为：

1. 构造函数：
   • 默认构造函数：派生类的构造函数必须调用基类的构造函数以初始化基类部分。如果基类没有默认构造函数，派生类构造函数必须在初始化列表中显式调用基类的其他构造函数。
   • 拷贝构造函数：自动调用基类的拷贝构造函数，完成基类部分的拷贝初始化。
2. 赋值运算符（operator=）：
   • 自动调用基类的赋值运算符，完成基类部分的赋值。
3. 析构函数：
   • 派生类的析构函数在执行完自己的清理工作后，自动调用基类的析构函数，确保基类部分的资源得到正确释放。
   • 虚析构函数：如果基类的析构函数是虚函数（virtual），可以确保通过基类指针删除派生类对象时，派生类的析构函数被正确调用，避免资源泄漏。

#include <iostream>
using namespace std;class Base {
public:Base() { cout << "Base Constructor" << endl; }Base(const Base&) { cout << "Base Copy Constructor" << endl; }Base& operator=(const Base&) { cout << "Base Assignment Operator" << endl; return *this; }virtual ~Base() { cout << "Base Destructor" << endl; }
};class Derived : public Base {
public:Derived() { cout << "Derived Constructor" << endl; }Derived(const Derived& d) : Base(d) { cout << "Derived Copy Constructor" << endl; }Derived& operator=(const Derived& d) { Base::operator=(d); cout << "Derived Assignment Operator" << endl; return *this; }~Derived() { cout << "Derived Destructor" << endl; }
};int main() {Derived d1;Derived d2 = d1; // 拷贝构造d2 = d1;         // 赋值运算符return 0;
}/*
输出：
Base Constructor
Derived Constructor
Base Copy Constructor
Derived Copy Constructor
Base Assignment Operator
Derived Assignment Operator
Derived Destructor
Base Destructor
Derived Destructor
Base Destructor
*/

6.友元与静态成员

• 友元关系不能继承：基类的友元在派生类中不是友元，派生类需要重新声明友元关系。

class Base {
private:int secret;friend class FriendClass;
};class Derived : public Base {// FriendClass 不是 Derived 的友元
};

• 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，所有派生类共享这一个静态成员。

class Base {
public:static int staticValue;
};int Base::staticValue = 0;class Derived1 : public Base {};
class Derived2 : public Base {};int main() {Derived1::staticValue = 5;cout << Derived2::staticValue << endl; // 输出：5return 0;
}

7.多继承

优点：

• 功能整合：允许派生类同时拥有多个基类的功能，适用于需要结合多种特性的复杂类。
• 灵活性：提供了更大的设计灵活性，适用于多维度的类层次结构。

缺点：

• 复杂性增加：类层次结构更加复杂，增加了理解和维护的难度。
• 名称冲突：多个基类中可能存在同名成员，导致名称冲突和二义性。
• 菱形继承问题：多个基类继承自同一个祖先类，导致数据冗余和二义性。

7.1 单继承与多继承

• 单继承：一个子类只有一个直接父类时这个继承关系为单继承。

• 多继承：一个子类有两个或以上的直接父类时成为多继承。

7.2 菱形继承

菱形继承：菱形继承是多集成的一种特殊情况。

菱形继承的问题：

• 数据冗余：派生类中存在多个基类的副本，导致数据冗余。例如，Assistant 类中会有两份 Person 的成员。
• 二义性：当访问祖先类的成员时，编译器无法确定访问哪一个基类的成员，导致二义性错误。

class Person {
public:string _name; 	// 姓名
};
class Student : public Person {
protected:int _num; 	//学号
};
class Teacher : public Person {int _id;	//职工号   
};
class Assistant : public Student, public Teacher {
protected:string _majorCourse;	// 主修课程
};
void Test() {// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个Assistant a;// 编译错误：二义性，无法确定是 Student::Person::name 还是 Teacher::Person::name//a._name = "peter";// 需要显示指定访问那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";
}

8.虚拟继承

为了解决菱形继承带来的数据冗余和二义性问题，C++ 引入了虚继承（Virtual Inheritance）。通过虚继承，派生类共享基类的唯一实例，消除数据冗余和二义性。

如在上面Student和Teacher在继承Person时使用虚继承即可解决问题：

class Person {
public:std::string name;
};class Student : virtual public Person {
protected:int studentID;
};class Teacher : virtual public Person {
protected:int employeeID;
};class Assistant : public Student, public Teacher {
protected:std::string majorCourse;
};int main() {Assistant a;a.name = "Charlie"; // 唯一的 Person::name 成员return 0;
}

下面是一个直接继承的例子：

注：由于x86指针采用4字节对齐方式，x64采用8字节对齐方式。方便起见以下全用x86为例

class A {
public:int _a;
};
class B : public A {
public:int _b;
};
class C : public A {
public:int _c;
};
class D : public B, public C {
public:int _d;
};
void Test(){D d;// sizeof(B)=8; sizeof(C)=8// sizeof(D) = sizeof(B)+sizeof(C)+sizeof(_d) = 20cout << "sizeof(d)=" << sizeof(d) << endl;d.B::_a = 1;d.C::_a = 2;d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;// 编译报错：_a 不明确，需要指明是那个父类下连带的属性，如上// d._a = 6;
}

从图中可以见得数据中存在两个_a，造成了数据的冗余和二义性；

下面看一下虚继承的示例:

class A {
public:int _a;
};
class B : virtual public A {
public:int _b;
};
class C : virtual public A {
public:int _c;
};
class D : public B, public C {
public:int _d;
};
void Test(){D d;cout << "sizeof(d)=" << sizeof(d) << endl;d.B::_a = 1;d.C::_a = 2;d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;d._a = 6;
}

8.1 虚拟继承工作原理

• 虚基表指针(VBPtr)：编译器为每个类对象添加一个虚基表指针，用于指向虚基类的信息。这与虚函数表指针(Vptr)不同，用于虚函数的多态性。
• 虚基表(VBTable)：虚基表记录虚基类的位置信息和偏移量，确保在派生类中正确访问共享基类成员。

虚拟指针的“三板斧”

由上面例子我们能够发现：但虚拟继承时，原本的父类成员会被替换为一个虚基表指针，这个指针指向一张虚基表，虚基表里存放虚基类与虚基表指针的偏移量。要注意和虚函数表区分开来。

正常继承：(下图中展示的是x64环境下的)

虚拟继承：

编译器处理虚继承的方法是：编译器在处理虚继承(虚函数)时，会给每个派生类添加一个隐藏成员类似：

class A{
public:void *vptr；// 续集表指针 --> 4个字节...
}

同时在编译器会给向派生类的构造函数中安插一条赋值语句 来为vptr赋值，类似：

A(){vptr = &A::vftable;
}

虚基类存储在最后继承它的派生类。

9.继承与组合

继承和组合都是实现类复用和构建复杂对象的手段，但它们在设计哲学和应用场景上有所不同。

9.1 继承（Inheritance）

• 关系：表示“is-a”关系，即派生类是基类的一种。例如，Student 是 Person。
• 复用方式：派生类通过继承基类的成员，实现代码的复用和扩展。
• 继承是一种白箱复用，父类对子类基本是透明的，但是它一定程度破坏了父类的封装
• 优点：
  • 简单直接，适用于明确的类型层次结构。
  • 允许派生类直接访问基类的 public 和 protected 成员。
• 缺点：
  • 高耦合，派生类依赖基类的实现细节。
  • 破坏基类的封装性，基类的改变可能影响派生类。

8.2 组合（Composition）

• 关系：表示“has-a”关系，即一个类包含另一个类的对象。例如，Car 有一个 Engine。
• 复用方式：通过在类中包含成员对象，实现功能的复用和扩展。
• 组合式一种黑箱复用，C对D是不透明的，C保持着他的封装。
• 优点：
  • 低耦合，类之间的依赖关系较弱。
  • 保持了各自类的封装性和独立性。
  • 更加灵活，可以在运行时动态组合不同的组件。
• 缺点：
  • 需要通过成员对象的接口间接访问功能，可能增加代码复杂性。

示例：

• 继承示例：

// 继承示例
class Engine {
public:void start() {std::cout << "Engine started." << std::endl;}
};class Car : public Engine { // Car is-a Engine（不符合实际逻辑，仅为示例）
public:void drive() {start(); // 直接访问 Engine 的成员std::cout << "Car is driving." << std::endl;}
};int main() {Car car;car.start(); // 直接调用 Engine 的方法car.drive();return 0;
}
/*
输出：
Engine started.
Engine started.
Car is driving.
*/

• 组合示例：

// 组合示例
class Engine {
public:void start() {std::cout << "Engine started." << std::endl;}
};class Car {
private:Engine engine; // Car has-a Engine
public:void drive() {engine.start(); // 通过 Engine 的接口访问std::cout << "Car is driving." << std::endl;}
};int main() {Car car;// car.start(); // 错误，Engine 的 start() 是私有的car.drive();return 0;
}
/*
输出：
Engine started.
Car is driving.
*/

组合的类耦合度更低，而继承的类是一种高耦合。

最佳实践：

• 优先使用组合：当类之间的关系不明确或“has-a”关系更符合实际需求时，优先选择组合。
• 谨慎使用继承：仅在明确需要“is-a”关系并且派生类确实需要基类的功能时，才使用继承。

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面试题

C++的缺陷有哪些？

1. 复杂性：
   • C++ 的语法和特性非常丰富，这使得学习曲线陡峭，容易出错。
   • 复杂的模板和泛型编程可能导致编译错误难以理解。
2. 内存管理：
   • 手动管理内存（如使用 new 和 delete）容易导致内存泄漏和野指针问题。
   • 虽然 C++11 引入了智能指针（如 unique_ptr 和 shared_ptr），但仍然需要开发者谨慎使用。
3. 多继承：
   • 多继承可能导致复杂的对象模型和潜在的二义性问题。
   • 菱形继承问题是一个典型的多继承问题，需要使用虚继承来解决。
4. 性能和效率：
   • 虽然 C++ 通常被认为是高性能的语言，但某些高级特性（如虚函数、RTTI）可能会引入额外的开销。
   • 优化代码需要深入理解编译器和硬件特性。
5. 缺乏内置的垃圾回收机制：
   • C++ 没有内置的垃圾回收机制，需要手动管理内存，增加了开发复杂度。
6. 标准库的局限性：
   • 标准库虽然强大，但某些领域（如网络编程、GUI 开发）的支持相对薄弱。
   • 第三方库的质量和兼容性参差不齐。

什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？如何解决？虚继承的原理是什么？

1. 什么是菱形继承？

   菱形继承是一种多继承的情况，其中派生类从两个基类派生，而这两个基类又共同派生自同一个基类。这种继承结构形成了一个菱形的形状。

class A {
public:int value;
};
class B : public A {};
class C : public A {};
class D : public B, public C {};

2. 菱形继承的问题是什么？

   (1) 二义性：

   • 由于 D 从 B 和 C 继承，而 B 和 C 都有一个 A 的子对象，D 会有两个 A 的子对象。
   • 当尝试访问 A 的成员时，编译器无法确定应该使用哪个 A 的子对象，导致二义性问题。

   (2) 对象模型复杂：

   • 菱形继承会导致对象模型变得复杂，增加内存开销和管理难度。

3. 如何解决菱形继承的问题？

   使用虚继承可以解决菱形继承带来的二义性和对象模型复杂的问题。

class A {
public:int value;
};
class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};
class D : public B, public C {};

4. 虚继承的原理？

   (1) 单一子对象：

   • 虚继承确保派生类中只有一个基类的子对象，而不是多个。
   • 在上述例子中，D 只有一个 A 的子对象，而不是两个。

   (2) 初始化顺序：

   • 虚基类的构造函数会在最派生类的构造函数中被调用，而不是在中间派生类的构造函数中被调用。
   • 这确保了虚基类的子对象在所有派生类的子对象之前被初始化。

   (3) 内存布局：

   • 虚继承会导致对象的内存布局更加复杂，因为编译器需要在对象中添加额外的指针来管理虚基类的子对象。
   • 这可能会引入一定的性能开销。

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模版

1.概念和工作原理

1.1 概念：

模版(Template)是C++中实现泛型变成的核心机制。它运行程序员编写与类型无关的代码，通过实例化时指定具体类型，从而实现代码的复用和灵活性。模版主要分为函数模版和类模版。模版的设计旨在在不牺牲性能的前提下，实现代码的高度复用。通过在编译时生成针对不同类型的代码，模版避免了运行时的多态开销，同时保持了类型安全。这种编译时多态性与运行时多态性（如虚函数）形成鲜明对比，各有优劣。

1.2 工作原理：

模版在C++中通过实例化机制工作。当编译器遇到模板的使用时，会根据提供的类型参数生成具体的函数或类。这一过程发生在编译期，确保了生成的代码在类型上是正确的。

编译器在编译阶段根据模板参数生成响应的代码，这意味着每个不同的模板参数组合都会生成独立的代码实例。这种机制带了以下优点：

• 类型安全: 所有类型检查在编译期完成，避免了运行时错误。
• 性能优化：生成的代码针对特定类型进行了优化，消除了不必要的抽象层。

但同时也存在一些缺点：

• 编译时间增加：大量的模版实例化可能导致编译时间显著增加。
• 代码膨胀：每个模版实例化都会生成独立的代码，可能导致可执行文件体积增大。

2.函数模板

2.1 定义与使用

函数模板允许编写与类型无关的函数，通过模板参数在调用时指定具体类型。函数模板的语法以template关键字开头，紧随其后的是模板参数列表。

// 函数模版
template <typename T>
T getMax(T a, T b) {return (a > b) ? a : b;
}int main() {cout << getMax<int>(3, 7) << endl;         // 输出：7cout << getMax<double>(3.5, 2.5) << endl;  // 输出：3.5cout << getMax<char>('g', 'e') << endl;    // 输出：greturn 0;
}

2.2 模版参数推导

在大多数情况下编译期能够根据函数参数自动推导处模板类型，此时可以不用显式的指定类型。，因此上面对模版的使用还可以这样

int main() {cout << getMax(3, 7) << endl;          // 自动推导为 getMax<int>cout << getMax(3.5, 2.5) << endl;      // 自动推导为 getMax<double>cout << getMax('g', 'e') << endl;      // 自动推导为 getMax<char>return 0;
}

注意事项:

• 如果模版参数无法从函数参数中推导出来，必须显式指定类型。
• 模版参数推导在函数重载解析中起重要作用，可能影响函数的选择。

2.3 多参数模板

函数模板可以接收多个类型参数，以处理不同类型的参数组合。这为函数的通用性提供了更大的灵活性：

// 多参数函数模版
template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 a, T2 b) -> decltype(a + b) {// 根据传入值a、b相加的结果推导类型return a + b;
}int main() {cout << add(3, 4.5) << endl;         // 输出：7.5cout << add(2.3f, 4) << endl;        // 输出：6.3return 0;
}

拓展分析：

decltype关键字：是C++11新增的一个关键字，和auto的功能一样，用来编译时期进行自动类型推导，确保返回类型与操作符的实际结果类型一致。它的引入很好的弥补了auto不适用或跟不无法使用的场景。

decltype基本语法：

int a = 10;
decltype(a) b = a; // b的类型与a相同，即int

3.类模板

3.1 定义与使用

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;// 类模版
template <typename T>
class MyContainer {
private:T element;
public:MyContainer(T elem) : element(elem) {}void display() const {cout << "Element: " << element << endl;}
};int main() {MyContainer<int> intObj(42);intObj.display();  // 输出：Element: 42MyContainer<string> strObj("Hello");strObj.display();  // 输出：Element: Helloreturn 0;
}

3.2 模板类的默认参数

类模板可以为模板参数指定默认类型，简化实例化时的类型指定。允许在需要时覆盖默认类型，保持代码的通用性。

// 类模版，默认类型为int
template <typename T = int>
class MyContainer {
private:T element;
public:MyContainer(T elem) : element(elem) {}void display() const {cout << "Element: " << element << endl;}
};int main() {MyContainer<> defaultObj(100); // 默认类型为intdefaultObj.display();           // 输出：Element: 100MyContainer<double> doubleObj(99.99);doubleObj.display();            // 输出：Element: 99.99return 0;
}

4.模板特化

模板特化允许为特定类型或类型组合提供专门的实现，以满足特殊需求。模板特化分为全特化和偏特化。

4.1 全特化

全特化为模板所有参数指定具体类型，提供专门的实现。这在处理特定类型时非常有用，例如针对指针类型或某些自定义类型提供不同的行为。

#include <iostream>
using namespace std;// 原始类模版
template <typename T>
class MyContainer {
private:T element;
public:MyContainer(T elem) : element(elem) {}void display() const {cout << "Generic Element: " << element << endl;}
};// 全特化，针对char*类型
template <>
class MyContainer<char*> {
private:char* element;
public:MyContainer(char* elem) : element(elem) {}void display() const {cout << "Specialized Element: " << element << endl;}
};int main() {MyContainer<int> intObj(10);intObj.display();  // 输出：Generic Element: 10char msg[] = "Hello, World!";MyContainer<char*> charPtrObj(msg);charPtrObj.display();  // 输出：Specialized Element: Hello, World!return 0;
}

• 限制: 全特化允许部分模板参数进行特化，适用于部分类型参数的特殊实现。

4.2 偏特化

偏特化允许部分模板参数进行特化，实现更加灵活和细粒度的模板行为。适用于部分类型的特殊实现。偏特化主要用于类模板，函数模板不支持偏特化。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;// 原始类模版
template <typename T1, typename T2>
class Pair {
private:T1 first;T2 second;
public:Pair(T1 a, T2 b) : first(a), second(b) {}void display() const {cout << "Pair: (" << first << ", " << second << ")" << endl;}
};// 偏特化，当T2为char*时
template <typename T1>
class Pair<T1, char*> {
private:T1 first;char* second;
public:Pair(T1 a, char* b) : first(a), second(b) {}void display() const {cout << "Specialized Pair: (" << first << ", " << second << ")" << endl;}
};int main() {Pair<int, double> p1(1, 3.14);p1.display();  // 输出：Pair: (1, 3.14)char msg[] = "C++ Templates";Pair<string, char*> p2("Topic", msg);p2.display();  // 输出：Specialized Pair: (Topic, C++ Templates)return 0;
}