Chapter 13：Class Inheritance

为什么复用几行代码不足以证明应该继承

公有继承（public inheritance）承诺 Derived is-a Base：任何只依赖 Base 公有契约的代码，都应能接收 Derived 而不被惊讶。它不是“Derived 内部碰巧需要 Base 的几个成员”。若只想复用实现而不承诺替换，包含（has-a）通常更准确。

替换性要求派生 override 不加强前置条件、不削弱后置条件，并保持基类不变量。例如 Shape::area() 承诺返回有限非负面积，Circle 不能在半径为零时突然拒绝调用，也不能返回负值。

派生对象包含一个完整基类子对象

派生类声明基类后，会先构造 Base subobject，再构造派生成员，最后执行派生构造函数体。派生构造函数用初始化列表选择基类构造函数；若省略，只会尝试基类默认构造。

#include <string>
 
class Person {
public:
    explicit Person(std::string name) : name_{std::move(name)} {}
    const std::string& name() const { return name_; }
 
private:
    std::string name_;
};
 
class Student : public Person {
public:
    Student(std::string name, int cohort)
        : Person{std::move(name)}, cohort_{cohort} {}
 
private:
    int cohort_;
};

派生构造函数不能直接初始化基类 private member，而是调用基类构造函数建立其不变量。销毁顺序相反：先执行派生析构函数体与派生成员清理，再销毁基类子对象。

protected 是对所有未来派生实现的承诺

private member 只能由基类成员/friend 访问；protected member 还允许派生类实现直接访问；public member 对普通调用者开放。protected 看似方便，却把表示暴露给所有派生类，使基类难以改变布局和约束。优先保持数据 private，提供窄 protected/public operation。

class Account {
protected:
    bool applyDebit(double amount) {
        if (amount <= 0.0 || amount > balance_) return false;
        balance_ -= amount;
        return true;
    }
 
private:
    double balance_{0.0};
};

这里派生类能请求“扣款”而不能直接把 balance 写成任意值；不变量仍由基类控制。

virtual function 把调用绑定到动态类型

非 virtual 调用按表达式的静态类型在编译期绑定；virtual function 通过基类 pointer/reference 调用时，根据对象的动态类型选择最终 override，这就是多态继承（polymorphic inheritance）。

class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default;
    virtual double area() const = 0;
    virtual void draw(std::ostream& out) const = 0;
};
 
class Circle final : public Shape {
public:
    explicit Circle(double radius) : radius_{radius} {}
    double area() const override { return 3.141592653589793 * radius_ * radius_; }
    void draw(std::ostream& out) const override { out << "circle"; }
 
private:
    double radius_;
};

override 让编译器验证签名确实覆盖基类 virtual，避免 const、参数或拼写差异悄悄创建新函数。final 可表达不允许进一步派生或覆盖的设计决定。

基类引用保留身份，按值传递会切片

render(const Shape&) 绑定 Circle 时没有复制完整对象，动态类型仍是 Circle，virtual call 能分派到 Circle override。render(Shape value) 试图只复制 Base subobject，派生状态被切掉，称为 object slicing；抽象基类甚至不能按值构造。

void render(const Shape& shape, std::ostream& out) {
    shape.draw(out);             // dynamic binding
    out << " area=" << shape.area();
}
 
Circle circle{2.0};
render(circle, std::cout);

多态集合通常保存 owning smart pointer 或受控的 pointer/reference，不能保存 Base value 期待保留派生身份。借用还要保证完整派生对象活过所有调用。

先预测四种调用使用静态还是动态绑定、是否切片或禁止实例化，再切换实验面板核对。证明需要同时记录表达式静态类型、对象动态类型、成员是否 virtual。

virtual destructor 关闭完整派生生命周期

只要基类可能被多态使用并通过 Base pointer 删除，析构函数就应是 virtual。这样 delete base 先调用派生析构，再调用基类析构；否则只销毁 Base 部分是未定义行为，派生资源可能泄漏。

Shape* shape = new Circle{3.0};
delete shape;  // requires virtual Shape::~Shape

更常见的 owner 是 std::unique_ptr<Shape>，但智能指针默认 deleter 最终仍执行 delete Shape*，不能替代虚析构契约。若基类明确不允许多态删除，可把非虚析构设为 protected，阻止外部通过 Base pointer delete。

构造与析构期间动态类型逐层打开和关闭

基类构造先完成，派生层才可建立；完整生命周期中 virtual dispatch 到 most-derived override；析构则先关闭派生层。把虚调用放在构造/析构中通常意味着初始化协议不清，应改成构造后显式启动或非虚 helper。

abstract base class 定义共同协议

含 pure virtual function（= 0）的类是抽象基类（abstract base class, ABC），不能直接实例化，但可拥有数据、普通函数、构造函数和 pure virtual 的定义。ABC 应表达稳定共同协议，而不是塞入所有派生类可能需要的操作。

double totalArea(const std::vector<std::unique_ptr<Shape>>& shapes) {
    double sum = 0.0;
    for (const auto& shape : shapes) {
        sum += shape->area();
    }
    return sum;
}

具体派生类必须实现仍为 pure 的操作才能实例化。调用者依赖 Shape 接口，不需要枚举 Circle、Rectangle 等具体类型；新增类型时主要新增实现而不是修改分支。

三步验证多态层次

小结

• public inheritance 是 is-a 替换承诺；只为实现复用应优先 containment
• 派生对象先构造基类子对象，析构顺序相反；protected 数据会扩大表示依赖
• static binding 看表达式类型，dynamic binding 需要基类 pointer/reference 与 virtual function
• 按 Base value 传递会 object slicing；多态接口通过引用/指针保留动态身份
• polymorphic base 需要 virtual destructor，构造/析构期间的 virtual dispatch 只到当前层
• abstract base classes 以 pure virtual operation 定义共同协议，不能直接实例化

名词解释