C++：继承详解
C++：继承详解
- 1. 继承的概念
- 2. 继承的格式及其方法
- 3. 基类和派生类的赋值转换
- 4. 继承中的作用域
- 5. 继承类的默认成员函数
- 6. 继承与友元
- 7. 继承与静态成员
- 8. 复杂菱形继承和菱形虚基继承
- 9. 总结
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。
2. 继承的格式及其方法
- 下面我们看到Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。
- 继承的方法如下：
- 三种继承方法在派生类中的成员的属性：
| 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。
- 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，不过最好显式的写出继承方式。
- 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。
3. 基类和派生类的赋值转换
- 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
- 基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针。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(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。
示例一：
class Base
{
public:
void fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
}
private:
int m_b = 0;
};
class D : public Base
{
public:
void show()
{
cout << "D::show()" << endl;
}
private:
int m_d = 0;
};
void main()
{
D d;
Base b;
//赋值兼容规则
b = d; // left_value = right_value;
Base* pb = &d;
Base& rb = d;
//d = b;
}
示例二：
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
class Teacher : public Person
{
public:
void show()
{
cout << "Teacher::show()" << endl;
}
protected:
int _jobid; // 工号
};
int main()
{
Teacher tcher;
Person per;
//tcher = per;
Person* p = &tcher;
p->Print();
p->show();
return 0;
}
基类的指针指向派生类的对象，只能访问派生类中和基类相同的成员，不能访问派生类自己的成员
示例三：
class Base
{
public:
void fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
}
void fun(int a)
{
cout << "Base::fun(int)" << endl;
}
private:
int m_b = 0;
};
class D : public Base
{
public:
//同名隐藏
void fun()
{
cout << "D::fun()" << endl;
}
void fun(int a, int b)
{
cout << "D::fun(int a, int b)" << endl;
}
void show()
{
cout << "D::show()" << endl;
}
private:
int m_d = 0;
};
int main()
{
D d;
d.fun();
d.fun(0, 0);
d.Base::fun(0);
//d.fun(0);
system("pause");
return 0;
}
同名隐藏：当基类和派生类有同名函数时，此时派生类的对象，只能访问到派生类的成员函数，无法访问到基类的同名成员函数，要想访问基类的同名函数必须加上类的作用域。
4. 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。
5. 继承类的默认成员函数
- 6个默认成员函数（默认的构造、拷贝构造、析构、赋值、两个取地址符），“默认”的意思就是指我们不写，编译器会变我们自动生成一个，那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？
- 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。
- 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。
- 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
- 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。
- 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
- 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构
class Base
{
public:
Base(int b = 0) :m_b(b)
{
cout << "Base::Base()" << endl;
}
Base(const Base& b)
{
cout << "Base::Base(const Base &)" << endl;
m_b = b.m_b;
}
Base& operator=(const Base& b)
{
cout << "Base::operator=(const Base &)" << endl;
m_b = b.m_b;
return *this;
}
public:
void fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
}
private:
int m_b;
};
class D : public Base
{
public:
D(int d = 0) :m_d(0)
{}
D(const D& d) :Base(d)
{
m_d = d.m_d;
}
public:
//同名隐藏
void fun()
{
cout << "D::fun()" << endl;
}
private:
int m_d;
};
void main()
{
D d(100);
D d1 = d;
D d2;
d2 = d1;
system("pause");
}
6. 继承与友元
- 友元关系不能继承，也就是说基类的友元不能访问子类的私有和保护成员
class Student;
class Person;
void Display(const Person& p, const Student& s);
class Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
string _name = "李荣浩"; // 姓名
};
class Student : public Person
{
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
string _stuNum = "周杰伦"; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << p._name << endl;
cout << s._stuNum << endl;
}
void main()
{
Person per;
Student stu;
Display(per, stu);
system("pause");
}
7. 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，都只有这一个static成员实例
class Test
{
public:
Test()
{
count++;
}
int GetCount()const
{
return count;
}
private:
static int count;
};
int Test::count = 0;
class D1 : public Test
{
public:
};
class D2 : public Test
{
public:
};
class D3 : public Test
{
public:
};
class D4 : public Test
{
public:
};
void main()
{
D1 d1;
cout << d1.GetCount() << endl;
D2 d2;
cout << d1.GetCount() << endl;
D3 d3;
cout << d1.GetCount() << endl;
D4 d4;
cout << d1.GetCount() << endl;
system("pause");
}
8. 复杂菱形继承和菱形虚基继承
- 菱形继承是多继承的一种特殊情况
- 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。
- 虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。
产生二义性示例：
class A
{
public:
int m_a = 1;
};
class B : public A
{
public:
int m_b = 2;
};
class C : public A
{
public:
int m_c = 3;
};
class D : public B, public C
{
public:
int m_d = 4;
};
int main()
{
D d;
d.m_d = 40;
d.m_c = 30;
d.m_b = 20;
d.m_a = 50;
system("pause");
return 0;
}
- 通过virtual虚基类继承后
class A
{
public:
int m_a = 1;
};
class B : virtual public A //虚基类
{
public:
int m_b = 2;
};
class C : virtual public A
{
public:
int m_c = 3;
};
class D : public B, public C
{
public:
int m_d = 4;
};
int main()
{
D d;
d.m_d = 40;
d.m_c = 30;
d.m_b = 20;
d.m_a = 50;
system("pause");
return 0;
}
- 虚基类继承原理
下图是菱形虚基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，那么B和C如何去找到公共的A呢？这里是通过了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。虚基表中存的偏移量。通过偏移量可以找到下面的A。
- 普通继承的内存存储
- 虚基类继承的内存存储
这里可以得到B和C的两个虚基指针，分别指向虚基表中的00d77bdc和00d77be4地址，通过这两个地址可以找到对应的偏移量分别是十六进制的14和十六进制的0c，也就是20字节和12字节，此时通过偏移量就可以找到对应内存中的公共的A。
9. 总结
- 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，有了菱形继承就存在菱形虚拟继承，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。否则往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，很多后来的面向对象语言都没有多继承，如Java。
- 继承和组合
- 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。
- 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。
- 优先使用对象组合，而不是类继承。
- 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。
- 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。
- 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，也可以用组合。