C++之继承详解(万字讲解)
这里是目录呀
- 前言
- 一、继承的概念及定义
-
- 1.继承的概念
- 2.继承定义
-
- (1)定义格式
- (2)继承关系和访问限定符
- (3)继承基类成员访问方式的变化
- 二、继承中的作用域
- 三、基类和派生类对象赋值转换
- 四、派生类的默认成员函数
- 五、继承与友元
- 六、继承与静态成员
- 七.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
-
- 1.菱形继承内数据冗余和二义性问题
- 2.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
- 八、继承的总结和反思
- 总结
前言
今天我们要讲述C++内更重要的一部分知识——继承，对于面向对象的一门语言来说，这部分知识特别重要，同时其中也会有非常多的细节，难度也是不小的，但是它是我们必须要翻越的一座大山，到底什么是继承呢?一起来看看吧。
一、继承的概念及定义
1.继承的概念
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用，继承是类设计层次的复用。
下面我们先简单的举一个例子，告诉大家继承到底是什么。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "LiMing"; //姓名
int _age = 18; //年龄
};
class Student:public Person
{
protected:
int _stid; //学号
};
class Teacher :public Person
{
protected:
int _jobid; //工号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
cout << "Student:";
s.Print();
cout << "Teacher:";
t.Print();
return 0；
}
根据上面的代码我们先假设一个场景，假如有一个学校人员管理系统，那么在学校中一定会有老师，学生等角色，这个时候我们就要将他们的信息都管理起来，通过分析他们的信息我们发现学生与老师共有的属性有很多，比如姓名，年龄，电话号，家庭住址等等，在上面的例子中我们只举了姓名和年龄的例子，因为Student和Teacher类中都会要有这些属性，但是我们多次定义的话就会很麻烦(相同属性很多的情况下)，所以我们就先定义一个父类Person，用来定义二者共有的属性，然后在让Student和Teacher作为子类去继承Person类(父类)，这样就省去了很多麻烦。
输出结果分析:
继承后父类的Person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成员变量。调用Print函数可以看到成员函数的复用。
2.继承定义
(1)定义格式
(2)继承关系和访问限定符
(3)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:
- 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。这里的不可见是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。
- 基类private成员在派生类中是不能被访问，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。可以看出保护成员限定符是因继承才出现的。（这里也就解决了我们前面遗留的访问限定符的问题）
- 实际上面的表格我们进行一下总结会发现，基类的私有成员在子类都是不可见。基类的其他成员在子类的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public > protected> private。
- 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。
- 在实际运用中一般使用都是public继承，几乎很少使用protetced/private继承，也不提倡使用protetced/private继承，因为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
说了这么多结论，还是没有一个实验更能让人加深印象，下面我们举个例子。
public继承
protected继承
private继承
总结:
通过上面我们对三个继承方式的实验，我们可以看到如果父类内是public成员和protected成员的话，继承后会根据继承方式的改变而将权限变小，既符合我们上面所说的：基类的其他成员在子类的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public > protected> private。，private成员是最为特殊的，无论你是以哪一种方式继承都是在子类中不可见。
其实我们在平时使用的时候只会用到public继承方式，其他的两种继承方式是很少使用的。
二、继承中的作用域
- 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
- 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）
- 需要注意的是如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。
- 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
例一:成员变量的隐藏
class Person
{
protected:
string _name = "张三";
int _num = 123456;//身份证号
};
class Student :public Person
{
public:
void Print()
{
cout << "姓名:" << _name << endl;
cout << "学号:" << _num << endl;
cout << "身份证号:" <<_num << endl;//这种方式是不能输出父类中的_num的信息的
cout << "身份证号:" << Person::_num << endl;//必须以这种方式找到父类的成员变量
}
protected:
int _num = 1001;//学号
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
我们可以看一下输出结果，看看情况。
我们可以看到只有使用了 基类::基类成员 的方法显示访问了以后才能输出我们想要的数据。
例二:成员函数的隐藏
三、基类和派生类对象赋值转换
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。这里有个形象的说法叫切片
或者切割。寓意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。
基类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或者引用。但是必须是基类
的指针是指向派生类对象时才是安全的。这里基类如果是多态类型，可以使用RTTI(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个我们后面再讲解，这里先了解一下）
class Person
{
protected:
string _name;//姓名
string _sex; //性别
int _age; //年龄
};
class Student :public Person
{
public:
int _id; //学号
};
int main()
{
Student s;
//子类对象可以复制给父类对象/指针/引用
//这里虽然是不同类型，但是不是隐式类型转化
//这里算是一个特殊支持，语法天然支持的
Person pobj = s;//对象
Person* pp = &s;//指针
Person& rp = s;//引用
return 0;
}
通过对上面我们所写的代码进行调试我们就可以发现如下的规律
通过对这个图片的理解，这个图片就像是左边的Person对象由右边的Student对象切去_id成员变量而来的。所以称为切片相信大家也就很好的理解了。
class Person
{
protected:
string _name;//姓名
string _sex; //性别
int _age; //年龄
};
class Student :public Person
{
public:
int _id; //学号
};
int main()
{
Student s;
Person pobj = s;
//基类对象不能赋值给派生类
s = pobj;
//基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类指针
Person* pp = &s;
Student* ps = (Student*)pp;
return 0;
}
四、派生类的默认成员函数
既然是类，那么就一定有自己的默认成员函数，子类的默认成员函数的行为是什么呢？让我们通过实验来看一下。
class Person
{
public:
Person(const char* name = "LiMing")
:_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)
//:_name(name)//不能直接以这种方式为成员变量初始化
:Person(name) //显示调用
,_num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
:Person(s)//显示调用
,_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);//显示调用父类的函数
_num = s._num;
}
return *this;
}
~Student()
{
//我们平时以为的析构函数
Person::~Person();//调用父类的析构函数，处理父类内的数据
//但是其实我们不需要显示调用父类的析构函数
//... //处理子类内的数据
cout << "~Student()" << endl;
}
protected:
int _num; //学号
};
int main()
{
Student s1("张三",18);
Student s2("李四", 2);
Student s3(s1); //拷贝构造
s3 = s1; //operator=赋值运算运算符重载
return 0;
}
下面我们先来解决上面析构函数的问题
注意:
子类的析构函数是比较特殊的一个函数，我们不需要显示调用父类析构函数，每个子类析构函数后面，会自动调用父类析构函数，这样才能保证先析构子类，在析构父类，也正是因为这个调用顺序，所以我们也不能自己去调用父类的析构函数，因为我们自己调用这个顺序是无法保证的。
补充:
这里的析构函数还有一个小细节，由于后面多态的需要，析构函数名字会统一处理成destructor(),所以子类的析构函数跟父类的析构函数构成隐藏。
~Student()
{
//不需要显示调用父类析构函数
//... //处理子类内的数据
cout << "~Student()" << endl;
}
修改以后我们就可以正确的调用了。
总结
补充:
在定义子类的构造函数的时候，如果父类有默认构造函数，那么这里子类可以不用显示去调用父类的构造函数(看自己的需求)，如果父类没有默认构造函数，那么子类就必须显示去调用父类的构造函数
上面我们已经知道了子类是如何调用父类的默认成员函数了，那么如果我们有需求，如何让一个类不被其他的类继承呢，看下面的代码
class A
{
//C++98
//1.父类构造函数私有---子类是不可见的
//2.子类对象实例化时，无法调用构造函数
private:
A()
{}
protected:
int _a;
};
class B :public A
{
public:
B()
{}
protected:
int _b;
};
看上面的输出，我们可以看出这里出现了报错，但是报错也不一定都是准确的，这里就是因为A类中的构造函数为私有成员，所以会出现编译失败的问题。
//C++11
class A final
{
public:
A()
{}
protected:
int _a;
};
class B :public A
{
public:
B()
{}
protected:
int _b;
};
C++98中的方法其实是很不方便的，所以在C++11中就出现了final这个关键字，这就表示A是无法被继承的。
五、继承与友元
友元关系不能继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员
六、继承与静态成员
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。无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例。
class Person
{
public:
Person()
{
++_count;
}
public:
static int _count;//通过static成员变量统计人的个数
protected:
string _name;
};
int Person::_count = 0;//初始化count
class Student :public Person
{
protected:
int _id;
};
int main()
{
Student s1;
Student s2;
Student s3;
cout << Student::_count << endl;//最后的输出数值为3，也就是说我们创建了三个对象
cout << &Person::_count << endl;
cout << &Student::_count << endl;
return 0;
}
通过对上面的输出结果我们可以看出在这里实现了对成员变量的累计，也就知道我们创建了几(3)个对象，同时通过最后的对两个类中的_count地址的输出，我们知道子类与父类中的是同一个static变量。
七.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
**单继承:**一个子类只有一个直接父类时成这个继承关系为单继承
**多继承:**一个子类有两个或两个以上直接父类时成这个继承为多继承
**菱形继承:**菱形继承是多继承的一种特殊情况
1.菱形继承内数据冗余和二义性问题
菱形继承其实是C++的继承中比较难搞的一个点，其中还有非常多的细节以及问题。
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。
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 _majoeCourse; //主修课程
};
从上面的图片中我们可以看到在子类Student与Teacher中都有父类中的_name,这就造成了数据冗余和二义性的问题。
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 _majoeCourse; //主修课程
};
int main()
{
Assistant a1;
//通过这种方式进行访问的话,不知道你去访问的是哪一个父类中的_name成员
//a1._name = "张三";
//只能够以下面的这种方式显示访问
a1.Student::_name = "张三";
a1.Teacher::_name = "张老师";
return 0;
}
通过上面的例子我们知道只能显示的去访问成员变量，其实这是与我们的意愿不相符的，每个人都只有一个名字就可以了，在很少情况下能用到两个名字，这样的话不仅数据量大，去访问的时候也很麻烦，所以我们就出现了下面的这种情况。
虚拟继承
class Person
{
public:
string _name;//姓名
};
//这里有了virtual关键字，
//我们也称这种继承方式为虚拟继承
class Student :virtual public Person
{
protected:
int _num; //学号
};
//virtual关键字
class Teacher :virtual public Person
{
protected:
int _id; //职工编号
};
class Assistant :public Student, public Teacher
{
protected:
string _majoeCourse; //主修课程
};
int main()
{
Assistant a1;
//在这里就可以直接访问了，解决了数据冗余和二义性的问题
a1._name = "张三";
return 0;
}
为了更好地让大家理解关于菱形继承底层的问题，我们先看一下下面这一道题。大家看看这道题选什么呢。
这里揭晓答案，这道题的答案是C，下面我们一起来分析一下吧
既然知道了他们之间的等于与不等于的关系，那么我们能不能在深入一点，探究他们的大小关系呢。
2.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
为了将普通继承与虚拟继承作比较，我将他们放在一起进行比较。
先来探究普通继承
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;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
}
因为没有使用virtual关键字，这里就会有两个成员变量_a。这样就会存在数据冗余和二义性的问题。
虚拟继承
为什么编译器会以这种方式来进行处理呢？？
这就要和我们前面所讲的基类和派生类对象赋值转换模块相结合了。
我们都知道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，其中就涉及到了切片的问题，我一起看下面的分析。
八、继承的总结和反思
- 很多人说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就存在菱形继承，有了菱形继承就有菱形虚拟继承，底层实现就很复杂。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。 - 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。
- 继承和组合
(1)public继承是一种is-a的关系。也就是说每个派生类对象都是一个基类对象。
(2)组合是一种has-a的关系。假设B组合了A，每个B对象中都有一个A对象。
(3)优先使用对象组合，而不是类继承 。
(4)继承允许你根据基类的实现来定义派生类的实现。这种通过生成派生类的复用通常被称为白箱复用(white-box reuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对子类可见 。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。
(5)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。对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。这种复用风格被称为黑箱复用(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可见的。对象只以“黑箱”的形式出现。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。
(6)实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有些关系就适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。
什么是组合
class A
{
//....
};
class B
{
//...
protected:
A _a;
};
像上面的这种定义形式就是组合，即在B类中会有A类的对象，并且会使用A类内的部分成员函数或成员变量(前提必须是公有的)，这样不需要关心A类内的其他成员函数或变量，只需要拿自己用的就可以了，A的封装性也没有被破坏。
总结
本篇关于C++继承的内容到这里就已经结束了，可以看到其中的细节还是非常非常多的，非常值的我们去探究，只看这些知识还是远远不够的，我们还要自己去动手把每一个例子都做一遍，这样才能加深印象，未来在面试和笔试的时候这一块内容也是一个重点，所以一定要掌握牢固。如果你觉得本篇内容对你有帮助的话就给一波三连吧，当然如果有错误也欢迎大家指正，让我们一起进步吧。