继承

是什么，为什么存在

C++ 继承定义一种类之间的关系。被继承的类型是 基类（base class） ，声明基类列表的新类型是 派生类（derived class） 。派生类的完整对象包含基类子对象，还可以增加自己的数据和操作。

继承解决的是共同接口与类型替换问题。若 SavingsAccount 公有继承 Account，接受 const Account& 的代码也能接收 SavingsAccount。调用者只依赖账户契约，不必为每一种账户增加重载。

公有继承带着语义承诺：凡是基类允许的操作，派生类都应保持其前置条件、后置条件和不变量。这个要求通常称为 里氏替换原则（Liskov substitution principle） 。仅仅拥有相似字段，或想复用实现，并不足以证明两个类型适合公有继承。

你会在框架扩展点、异常层次、设备驱动接口和异构对象集合中遇到继承。若目标只是把一个实现部件放进另一个类型，组合通常更直接：成员关系表达「有一个」，继承关系表达「是一种」。

工作原理

派生类在类名后写基类列表，例如 class SavingsAccount : public Account。每个完整的 SavingsAccount 对象都含有一个 Account 子对象。基类的 private 成员仍然存在，只是派生类成员不能直接命名它们；派生类应通过基类的 public 或 protected 接口操作这部分状态。

继承说明符也是一种 访问说明符（access specifier） 。它改变基类的 public 和 protected 成员通过派生类暴露时的最高访问级别，但不会把基类的 private 成员改成可访问成员。

只有公有且无歧义的基类关系通常允许外部代码隐式向上转换。protected 继承把这种转换留给派生类及友元，private 继承则只留给当前类及友元。class 的基类访问默认为 private，struct 默认为 public，因此公共层次最好始终显式写出 public。

对象的继承结构可以看成嵌套的子对象，而不是把两个类的文本拼在一起：

构造派生类完整对象时，虚基类先初始化，然后按基类列表中的声明顺序初始化直接基类，再按成员声明顺序初始化派生类成员，最后进入派生类构造函数体。析构顺序相反。初始化器列表的书写顺序不能改变这些规则。

派生类构造函数负责为直接基类选择构造函数。若没有写基类初始化器，编译器会尝试调用该基类的默认构造函数。基类没有可访问的默认构造函数时，遗漏初始化器就是编译错误。

名字查找与虚分派是两件事。派生类声明某个名称时，可能隐藏基类中的整组同名重载；using Base::name 可以把基类重载重新引入候选集。选中虚函数签名后，通过基类引用或指针调用才会按对象的动态类型分派，具体规则见 cpp/virtual-functions。

公有继承支持从派生类引用或指针到可访问、无歧义基类的向上转换。转换指向完整对象内部的基类子对象，不会复制对象。按值转换则不同：它只构造一个基类对象，派生类新增的状态和动态类型都会丢失。

示例

下面三个程序依次展示基类初始化、通过公共接口替换类型，以及按值传递造成的对象切片。它们都使用本地 g++ 的 C++23 模式编译并运行，输出来自真实执行结果。

公有继承与向上转换

SavingsAccount 显式初始化自己的 Account 子对象。print_owner() 接受基类引用，因此传入派生类对象时不复制，也不切片。

构造 account 时，Account 子对象先取得所有者名称，随后 cents_ 初始化。print_owner(account) 使用隐式向上转换，把引用绑定到同一个完整对象中的基类部分。

owner_ 是基类的 private 成员。它没有因继承而消失，也没有变成派生类可直接访问的数据；SavingsAccount 和外部函数都通过 owner() 读取它。

通过基类引用保留动态类型

公共接口可以为不同派生类型提供统一入口。这里只展示继承与替换的连接；虚函数表、纯虚函数和析构策略在 cpp/virtual-functions 中展开。

#include <iostream>

class ShippingRule {
public:
    virtual int fee(int grams) const {
        return 300 + grams / 10;
    }

    virtual ~ShippingRule() = default;
};

class ExpressRule : public ShippingRule {
public:
    int fee(int grams) const override {
        return 700 + grams / 10;
    }
};

void print_fee(const ShippingRule& rule, int grams) {
    std::cout << "fee: " << rule.fee(grams) << '\n';
}

int main() {
    ShippingRule standard;
    ExpressRule express;
    print_fee(standard, 2000);
    print_fee(express, 2000);
}

fee: 500
fee: 900

两次调用的静态接口都是 ShippingRule，第二次却保留了 ExpressRule 的动态类型，因此执行重写后的 fee()。override 要求编译器确认函数签名确实覆盖基类虚函数；若遗漏 const 或写错参数类型，程序会在编译期失败。

基类析构函数是虚函数，因为这个接口允许派生对象经基类指针拥有和销毁。示例没有动态分配，但把销毁契约写在基类中，能让之后使用 std::unique_ptr<ShippingRule> 的代码保持安全。

观察对象切片

按值形参会从实参的基类子对象构造一个新的基类对象。这个过程叫作 对象切片（object slicing） ，它不会保留原对象的派生部分。

#include <iostream>
#include <string>

class Notice {
public:
    virtual std::string channel() const {
        return "generic";
    }

    virtual ~Notice() = default;
};

class SmsNotice : public Notice {
public:
    std::string channel() const override {
        return "sms";
    }
};

void print_value(Notice notice) {
    std::cout << "value: " << notice.channel() << '\n';
}

void print_reference(const Notice& notice) {
    std::cout << "reference: " << notice.channel() << '\n';
}

int main() {
    SmsNotice notice;
    print_value(notice);
    print_reference(notice);
}

value: generic
reference: sms

print_value() 中的局部 Notice 已是独立基类对象，所以虚调用也只能得到 generic。print_reference() 没有构造新对象，引用仍指向原来的 SmsNotice，于是输出 sms。

异构集合也有同样区别。std::vector<Notice> 存放的是基类值，会切片；需要保留动态类型时，可保存 std::unique_ptr<Notice>，或在所有权位于别处时保存生命周期明确的引用包装器。

陷阱

修复： 逐项检查派生类能否接受基类的全部有效输入，并保持相同后置条件和不变量。若关系只是「使用这个部件」，把部件设为成员；只有需要受限实现复用时才考虑非公有继承，而且不要把它描述成子类型关系。

修复： 不转移所有权时使用 Base& 或 const Base&。需要异构所有权时使用 std::unique_ptr<Base>；需要值语义时，为层次设计明确的多态复制操作，或改用 std::variant 等封闭表示。

修复： 对准备重写的虚函数写 override。若派生类还需要保留基类重载集，在派生类作用域加入 using Base::name，并用基类引用和派生类对象分别编译测试调用。

修复： 允许多态销毁的基类应提供公有虚析构函数，常见写法是 virtual ~Base() = default。若类型明确禁止经基类接口销毁，可使用受保护的非虚析构函数；不要留下公有非虚析构函数让调用者误用。

修复： 不要让基类构造或析构逻辑依赖派生重写。把完成对象后才能执行的工作移到普通成员函数或工厂中，并在对象完整构造后调用；清理则交给各层自己的析构函数和成员对象。

修复： 先判断两条路径是否真的需要共享同一个基类身份。需要共享时，两条中间路径都应虚继承共同基类，并由最派生类初始化它；若两份基类状态各有含义，就保留非虚继承并显式命名访问路径。

延伸阅读

• C++ 工作草案：基类与派生类
• C++ 工作草案：基类及其成员的可访问性
• C++ 工作草案：初始化
• C++ 工作草案：成员名称查找
• C++ 工作草案：构造与析构