C++中的继承

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可口也可樂、 发表于 2022/03/22 23:09:35 2022/03/22
【摘要】 @TOC 零、前言从本章开始，我们已经达到了C++的入门水平，开始向进阶进发，而本章则是介绍学习C++的继承 一、继承的概念和定义概念：继承(inheritance)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；以前我们接触的复用都是函数复...

@TOC

零、前言

从本章开始，我们已经达到了C++的入门水平，开始向进阶进发，而本章则是介绍学习C++的继承

一、继承的概念和定义

  • 概念：

  1. 继承(inheritance)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，称派生类

  2. 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；以前我们接触的复用都是函数复用，继承是类设计层次的复用

  • 定义：

  • 示例：

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18; // 年龄
};
// 继承后父类的Person的成员（成员函数+成员变量）都会变成子类的一部分。这里体现出了Student和
//Teacher复用了Person的成员。下面我们使用监视窗口查看Student和Teacher对象，可以看到变量的复用。
//调用Print可以看到成员函数的复用。
class Student : public Person
{
protected:
		int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _jobid; // 工号
};
int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.Print();
	t.Print();
	return 0;
}
  • 结果：
image-20220103195242395
  • 语法：

Person是父类，也称作基类；Student是子类，也称作派生类

  • 继承关系和访问限定符:

image-20220103194306924image-20220103194334445

  • 继承基类成员访问方式的变化:
类成员/继承方式 public继承 protected继承 private继承
基类的public成员 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 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 在派生类中不可见 在派生类中不可见 在派生类中不可见
  • 总结：

  1. 基类private成员在派生类中无论以什么方式继承都是不可见的（不可见指基类的私有成员还是被继承到了派生类对象中，但是语法上限制派生类对象不管在类里面还是类外面都不能去访问它）

  2. 如果基类成员不想在类外直接被访问，但需要在派生类中能访问，就定义为protected（保护成员限定符是因继承而出现）

  3. 基类的其他成员在子类的访问方式 == Min(成员在基类访问限定符，继承方式){public > protected > private}

  4. 使用关键字class时默认的继承方式是private，使用struct时默认的继承方式是public，不过最好显示的写出继承方式

  5. 实际运用中一般使用public继承，很少使用protetced/private继承（不提倡：protetced/private继承下来的成员都只能在派生类的类里面使用，实际中扩展维护性不强 ）

二、基类和派生类对象赋值转换

  • 概念：

派生类对象可以赋值给基类的对象/基类的指针/基类的引用，也叫切片或者切割，即把派生类中父类那部分切来赋值过去
基类对象不能赋值给派生类对象基类的指针，但可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针

  • 示图：切割
image-20220103195637092
  • 示例：
class Person
{
protected:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	int _No; // 学号
};
void Test()
{
	Student sobj;
	// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	Person pobj = sobj;
	Person* pp = &sobj;
	Person& rp = sobj;
	//2.基类对象不能赋值给派生类对象
	//sobj = pobj;err
	// 3.基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针
	pp = &sobj;
	Student * ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的
	ps1->_No = 10;
	pp = &pobj;
	Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问题
	ps2->_No = 10;
}

三、继承中的作用域

  • 注意：

  1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域

  2. 子类和父类中有同名成员子类成员将屏蔽父类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏，也叫重定义（在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问）

注：在同一作用域函数名相同参数不同，为函数重载

  1. 成员函数的隐藏只需要函数名相同就构成隐藏

  2. 实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员

  • 示例1：成员变量隐藏
class Person
{
protected:
	string _name = "小李子"; // 姓名（缺省参数）
	int _num = 111; // 身份证号
};
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << " 姓名:" << _name << endl;
		cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl;//名称相同构成隐藏，需要显示调用
		cout << " 学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};
void Test()
{
	Student s1;
	s1.Print();
};
  • 结果1：
image-20220103201240724
  • 示例2：成员函数隐藏
class A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		A::fun();//显示调用隐藏的父类函数
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};
void Test()
{
	B b;
	b.fun(10);
};
  • 结果2：
image-20220103201518645

四、派生类的默认成员函数

  • 6个默认成员函数示图：
image-20220103201708800

注：“默认”即指我们不写，编译器会自动生成

  • 派生类中成员函数是如何生成：

  • 示例：

class Person
{
public:
	Person(const char* name="Peter")
		: _name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}
	Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;
		return *this;
	}
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		: Person(name)
		, _num(num)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}
	Student(const Student& s)
		: Person(s)
		, _num(s._num)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	Student& operator = (const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
		if (this != &s)
		{
			Person::operator =(s);
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号
};
void Test()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
	s1 = s3;
}
  • 注意：
  1. 派生类的构造函数必须调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员；如果基类没有默认的构造函数，则必须在派生类构造函数的初始化列表阶段显示调用

注：默认构造函数：无参的构造函数，编译器自动生成的构造函数，全缺省的构造函数

  • 示图：无默认构造函数，且不显示调用
image-20220103202354817
  1. 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成基类的拷贝初始化

注：如果不调用，系统会自动调用父类的默认构造函数

  • 示图：
image-20220103202931346

注：调用基类的拷贝构造运用了切片操作

image-20220103203055967
  1. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制

注：这里的调用赋值同样也是切片操作，如果不主动调用父类赋值重载，则不会完成父类的赋值

  1. 派生类的析构函数会在被调用完成后自动调用基类的析构函数清理基类成员，因为这样才能保证派生类对象先清理派生类成员再清理基类成员的顺序
  • 示图：
image-20220103203606094

注：一般不自行去主动调用基类的析构函数，不然可能会造成错误

  1. 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造

  2. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构

  • 示图：
image-20220103210000955

五、继承和友元

  • 概念：

友元关系不能继承，即基类友元不能访问子类私有和保护成员（友元只是单向的，无法传递和继承）

  • 示例：
class Student;
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;
	cout << s._stuNum << endl;
}
  • 结果：
image-20220103204056145

六、继承和静态成员

  • 概念：

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，无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例

  • 示例：
class Person
{
public:
	Person() 
	{ 
		++_count; 
	}
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
class Graduate : public Student
{
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}
  • 结果：
image-20220103204441835

七、菱形继承和虚拟继承

  • 单继承：

一个子类只有一个直接父类时称这个继承关系为单继承

  • 示图：
image-20220103204519247
  • 多继承：

一个子类有两个或以上直接父类时称这个继承关系为多继承

  • 示图：
image-20220103204533945
  • 菱形继承：

菱形继承是多继承的一种特殊情况

  • 示图：
image-20220103204549678
  • 菱形继承的问题：

从下面的对象成员模型构造，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题:在Assistant的对象中Person成员会有两份

  • 示图：
image-20220103204832147
  • 示例：
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};
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;
	a._name = "peter";
	// 需要显示指定访问哪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";
}
  • 结果：
image-20220103204957138
  • 菱形虚拟继承：

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题

注：虚拟继承不要在其他地方使用

  • 示例：
class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
void Test()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter";
}
  • 菱形继承的内存对象成员模型：

这里可以看到数据冗余,存在二义性需要显示调用

  • 示图：
image-20220103205220806
  • 菱形虚拟继承的内存对象成员模型：

这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，这里是通过B和C的两个指针，指向的一张表（这两个指针叫虚基表指针，这两个表叫虚基表），虚基表中第一个位置存的是当前位置距离类自己虚函数表指针的偏移量，第二个位置存的是距离继承对象的成员变量偏移量

  • 示图：
image-20220103205328165
  • 过程示图：
image-20220103205414943
  • 总结：

  1. 对于多继承，菱形继承和菱形虚拟继承，底层实现很复杂，所以一般不建议设计出多继承，一定不要设计出菱形继承，否则在复杂度及性能上都有问题

  2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承（如java）

八、继承和组合

  • 概念：
  1. public继承是一种is-a的关系：

  1. 假设B继承了A，每个B对象就是一个A对象（每个派生类对象都是一个基类对象）

  2. 继承允许你根据基类的实现来定义派生类的实现

  3. 在继承方式中，基类的内部细节对子类可见

  4. 继承一定程度破坏了基类的封装，基类的改变，对派生类有很大的影响（派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度高）

  1. 组合是一种has-a的关系：

  1. 假设B组合了A，每个B对象中都有一个A对象（优先使用对象组合，而不是类继承 ）

  2. 对象组合是类继承之外的另一种复用选择，新的更复杂的功能可以通过组装或组合对象来获得

  3. 对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口，因为对象的内部细节是不可见的

  4. 组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低，优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装

  • 使用总结：

  1. 实际中尽量多去用组合（组合的耦合度低，代码维护性好）

  2. 有些关系就适合继承那就用继承（强相关），另外要实现多态，也必须要继承

  3. 如果类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合

  • 示例：
// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
class Car {
protected:
	string _colour = "白色"; // 颜色
	string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
};
class BMW : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};
class Benz : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};
// Tire和Car构成has-a的关系
class Tire {
protected:
	string _brand = "Michelin"; // 品牌
	size_t _size = 17; // 尺寸
};
class Car {
protected:
	string _colour = "白色"; // 颜色
	string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
	Tire _t; // 轮胎
};

九、继承相关面试题

  1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
  • 菱形继承：

一个子类继承了两个父类，而这两个父类又继承了一个相同的类，这样的继承关系如同菱形

  • 菱形继承问题：

存在数据冗余和二义性的问题

  1. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
  • 菱形虚拟继承：

用来解决菱形继承的数据冗余和二义性

  • 如何解决：

菱形虚拟继承会让父类生成一张虚基表，并将虚基表的地址存在其成员变量中，虚基表中存储了其父类成员变量距离该基表的距离，根据距离找到其父类变量，并且两份虚基表共同指向一份父类变量

  1. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合
  • 区别：

  1. 继承相当于每个派生类对象都是一个基类对象；继承中的基类内部实现对派生类可见（一定程度破坏基类的封装性），可以根据基类的实现来决定派生类的实现（耦合度高，不利于维护）

  2. 组合相当于每个派生类对象有一个基类对象；组合中的基类内部具体实现对派生类不可见（封装性好），基类的实现和派生类的实现依赖性低（耦合度低，利于维护）

  • 使用情形：

如果类型之间关系符合强相关的，或者需要实现多态的，用继承

如果类型之间关系符合弱相关的，或者继承和组合都可以使用的，用组合

  1. 如何设计一个不能被继承的类？

  1. 将该类的构造函数的访问权限设置为私有，当派生类调用构造函数时，会先调用父类的构造函数，而父类的构造函数不能被调用，无法构造父类对象也就构造不了派生类对象（但这样的类不仅派生类无法构造，该类自己也不能构造）

  2. 在C++11之后，我们可以将父类用 final 修饰，这样就可以达成目的

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