《C++继承》
本文主要介绍继承的相关知识
文章目录
- 思维导图
- 一、继承的概念及定义
-
- 1.继承的概念
- 2.继承的定义
-
- 2.1 定义格式
- 2.2 继承关系和访问限定符
- 2.3 继承基类成员访问方式的变化
- 二、基类和派生类对象的赋值转换
- 三、继承中的作用域
- 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.单继承
- 2. 多继承
- 3. 菱形继承
- 4. 虚拟继承
- 5. 虚拟继承原理
- 八、继承的总结和反思
- 九、总结
思维导图
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。
//基类/父类
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
//派生类/子类
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
//派生类/子类
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
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。
2.继承的定义
2.1 定义格式
面我们看到Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。
2.2 继承关系和访问限定符
2.3 继承基类成员访问方式的变化
- 1、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。
- 2、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。
- 3、 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。
- 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、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。
二、基类和派生类对象的赋值转换
- 当派生类对象赋值给父类的对象、基类的指针和基类的引用时，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
class Person
{
protected:
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
int _No; // 学号
};
int main()
{
Student s;
// 子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person p = s;
Person* ptr = &s;
Person& ref = s;
}
子类赋值给父类： 就是将子类中父类的那一部分切割出来赋值给父类
三、继承中的作用域
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）
3. 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。
4. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:
string _name = "小李子"; // 姓名
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;
cout << " 学号:" << _num << endl;
/*子类继承父类之后，子类中就有两个_num,编译器在访问时就会采用就近原则，如果想要访问父类中的_num就需要指定类域*/
}
protected:
int _num = 999; // 学号
};
int main()
{
Student s1;
s1.Print();
return 0;
}
例题： 有以下程序，判断1和2的函数调用有什么样的结果？
A、A和B的func构成函数重载
B、编译报错
C、运行报错
D、A和B构成函数隐藏
class A {
public:
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
cout << "func(int i)->" << i << endl;
}
};
void Test()
{
B b;
b.fun(10); //1
b.fun(); //2
};
解析：
b.fun(10); ---- 构成函数隐藏
b.fun( ); ---- 编译报错；因为调用不明确
四、派生类的默认成员函数
6个默认成员函数，默认的意思就是，我们不写，编译器自动生成的，那么在子类中编译器默认生成的，会干什么呢？
我们不写默认生成的子类的构造和析构怎么处理？
a：对于继承下来的成员，调用父类的默认构造和析构函数
b：对于自己的成员，根普通的类处理方式一样(内置类型不做处理，自定义类型调用它对应的默认构造和析构函数)
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:
//不写,调用父类的构造和析构
protected:
int _num; //学号
string _s="hello";
};
int main()
{
Student s;
return 0;
}
结果展示：
我们不写默认生成的子类的拷贝构造和operator= 怎么处理？
a：对于继承下来的成员，调用父类的拷贝构造和operator=
b：对于自己的成员，跟普通类一样处理
总结：原则上，继承下来的成员调用父类的处理，自己的成员按照普通类的处理即可。
什么情况下必须自己写？
1. 父类没有默认构造，需要我们自己显示写构造。
2. 如果子类有资源需要释放，就需要自己显示写析构。(比如有new的资源)
3. 如果子类存在浅拷贝问题，就需要自己实现拷贝构造和赋值解决浅拷贝问题。
如果我们要自己写，如何自己写？
1. 父类成员调用父类的对应构造、拷贝构造、operator=和析构处理
2. 自己成员按普通类处理。
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="zhangsan",int num=0)
:Person(name)//不能这样写 _name(name)
,_num(num)
{}
Student(const Student& s)
:Person(s)//这里s会自动切片传给父类
,_num(s._num)
{}
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);//与父类的构成了隐藏，必须指定类域
_num = s._num;
}
return *this;
}
~Student()
{}
protected:
int _num; //学号
};
int main()
{
Student s;
Student s1(s);
s1 = s;
return 0;
}
有一个细节知识点：
父子析构函数名字会被统一处理成为"destructor( )"，那么父子的析构函数就会构成隐藏关系，当子类调用析构函数时，必须指定作用域。
~Student()
{
Person::~Person();//指定域
}
子类析构函数结束时，出了作用域会自动调用父类的析构函数，所以我们自己实现析构函数时，不需要显示调用父类的析构函数，这样才能保证先析构子类成员，后析构父类成员。(创建s对象时，里面继承的有父类的那一部分，会被先构造父类成员，后构造子类成员，析构时先析构子类成员，后析构父类成员)
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。
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; //可以访问
cout << s._stuNum << endl; //不可以访问 --- 除非给子类加上友元
}
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
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; }
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
};
int main()
{
Person p; //调用一次构造函数
Student s; //调用一次父类的构造函数
Graduate g; //调用一次父类的构造函数
cout << Person::_count << endl; // 3
cout << Student::_count << endl; // 3
cout << Graduate::_count << endl; // 3
cout << &Person::_count << endl; // 地址都相同
cout << &Student::_count << endl; // 地址都相同
cout << &Graduate::_count << endl; // 地址都相同
return 0;
}
七、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
1.单继承
一个子类只有一个直接父类时称为单继承
2. 多继承
一个子类有两个或者两个以上的直接父类时称为多继承
3. 菱形继承
菱形继承是多继承的一种特殊情况
菱形继承的问题：数据冗余和二义性
从下面的对象成员来看，在Assistant的对象中就有两份Person成员，访问_name时就不知道访问谁的，就会导致问题。
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 _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";
}
4. 虚拟继承
虚拟继承就可以解决菱形继承的二义性和数据冗余问题。
如上面的关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承。
class Person
{
public:
string _name;
};
class Student : virtual public Person//使用virtual继承
{
protected:
int _num;
};
class Teacher : virtual public Person//使用virtual继承
{
protected:
int _id;
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse;
};
void Test()
{
Assistant a;
a._name = "张三";
}
注意：虚拟继承不要在其他地方去使用！
5. 虚拟继承原理
简化模型方便观察，再借助内存窗口观察对象成员模型
//简化模型
class A
{
public:
int _a;
};
// class B : public A
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
// class C : public A
class C : virtual 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;
return 0;
}
不使用虚拟继承
这里我们可以看到数据冗余！存在着两份A数据。
现在是使用虚拟继承：
这里分析得出
- D对象将A放在了最下面，这个A是同时属于B和C的，那么B和C是如何找到公共的A呢？我们还发现，B和C中还存在两个指针，指向了一张表。这两个表叫做虚基表指针，这两个表叫做虚基表。虚基表中存放的是偏移量，这个偏移量是B和C公共A成员的偏移量或者相对距离。
- 如图所示，14是用16进制表示的，换算成10进制就是20，我们通过虚基表指针查找到了偏移量20，用起始地址+偏移量就可以找到公共A成员变量存放的位置了。
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，很多后来的面向对象语言都没有多继承，如Java。
继承与组合：
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。
//继承与组合
//is-a
class A {
protected:
int _a;
};
class B : public A {
protected:
int _b;
};
//has-a
class C {
protected:
int _c;
};
class D {
protected:
C _obj;
int _d;
};
注意：优先使用对象组合，而不是类继承！
1.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。
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。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。
3.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。
九、总结
1.什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
菱形继承是多继承的一种特殊情况，B和C继承A，D又继承了B和C，这就是菱形继承。
问题：由于上述继承关系，导致D中会存储两份A类的数据，会存在数据冗余和二义性
2.什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性？
虚拟继承就是在B和C继承A时候再加一个关键字virual，那么在D中就只存储了一份A类的数据，D对象中，会将A类的数据放在最后，再B和C中会存储一个虚基表指针，这个指针指向一个虚表，虚表里面存储的是一个相对于A类数据的偏移量，B和C就可以通过偏移量找到A类的数据了。
3.继承和组合的区别？什么时候用继承和组合？
继承是一种is-a的关系。组合是一种has-a的关系。
- 如果二者之间存在“是”的关系，并且一个类要对另外一个类公开所有接口，那么继承是更好的选择。
- 如果二者存在一个“有”的关系，那么首选组合。
- 如果二者既存在“是”，又存在“有”，优先选用组合