【C++】继承
文章目录
- 1. 什么是继承
- 2. 基类和派生类对象的赋值转换
- 3. 继承中的作用域
- 4. 派生类的默认成员函数
- 5. 继承与友元
- 6. 继承与静态成员
- 7. 继承的方式
- 8. 菱形虚拟继承
- 9. 对于继承的总结
1. 什么是继承
继承的概念
继承机制是面向对象程序设计使代码可以复用的重要手段，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，称为派生类。
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，而继承便是类设计层次的复用。
例如，以下代码中Student类和Teacher类就继承了Person类。
// 父类
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name: " << endl;
cout << "age: " << endl;
}
protected:
string _name = "张三";
int _age = 18;
};
// 子类
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
// 子类
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
继承方式和访问限定符
访问限定符和继承方式都有以下三种：
- public
- protected
- private
基类当中被不同访问限定符修饰的成员，以不同的继承方式继承到派生类当中后，该成员最终在派生类当中的访问方式将发生变化。
- 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，但是在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。
- 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的都是public继承，几乎很少使用protected/private继承，也不提倡使用protected/private继承，因为protected/private继承下来的成员都只能在派生类里面使用，实际中扩展性不强。
2. 基类和派生类对象的赋值转换
派生类对象可以赋值给基类的对象、基类的指针以及基类的引用，因为在这个过程中，会发生基类和派生类对象之间的赋值转换。
可以进行以下赋值转换
对于这种做法，有个形象的说法叫做切片/切割，寓意把派生类中基类那部分切下来赋值过去。
注意：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，但是此时基类的指针必须是指向派生类的对象才是安全的。
3. 继承中的作用域
在继承体系中的基类和派生类都有独立的作用域。若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。
#include 运行结束如下：
若此时我们就是要访问父类当中的_num成员，我们可以使用作用域限定符进行指定访问。
void fun()
{
cout << Person::_num << endl;
}
如果是成员函数的隐藏，只要是函数名相同就构成隐藏
父类和子类的成员函数，如果函数名相同，就构成隐藏的关系，而不是重载。
例如，对于以下代码，调用成员函数fun时，若想调用父类当中的fun，则需使用作用域限定符指定类域。
#include 运行结果如下：
代码当中，父类的fun和子类的fun不是构成函数重载，因为函数重载要求两个函数在同一作用域，而此时这两个fun函数不在同一作用域。为了避免类似问题，实际在继承体系当中最好不要定义同名的成员。
4. 派生类的默认成员函数
我们以下面这个类为基类
class Person
{
public:
// 构造函数
Person(const string& name = "peter")
: _name(name)
{
cout << "Person()" << endl;
}
// 拷贝构造函数
Person(const Person& p)
: _name(p._name)
{
cout << "Person(const Person& p)" << endl;
}
// 赋值运算符重载函数
Person& operator=(const Person& p)
{
cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
if (this != &p)
{
_name = p._name;
}
return *this;
}
// 析构函数
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
private:
string _name;
};
用该基类派生出Student类，Student类当中的默认成员函数如下：
class Student : public Person
{
public:
Student(const string& name, int id)
: Person(name)
, _id(id)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
: Person(s)
, _id(s._id)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
Student& operator=(const Student& s)
{
cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);
_id = s._id;
}
return *this;
}
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
// 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
}
private:
int _id;
};
派生类与普通类的默认成员函数的不同之处可以概括为以下几点：
- 派生类的构造函数被调用时，会自动调用基类的构造函数传输互换基类的那一部分成员，如果基类当中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当中显示调用基类的构造函数。
- 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝构造。
- 派生类的赋值运算符重载函数必须调用基类的赋值运算符重载函数完成基类成员的赋值。
- 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。
- 派生类对象初始化时，会先调用基类的构造函数再调用派生类的构造函数。
- 派生类对象在析构时，会先调用派生类的析构函数再调用基类的析构函数。
在编写派生类的默认成员函数时，需要注意以下几点：
- 派生类和基类的赋值运算符重载函数因为函数名相同构成隐藏，因此在派生类当中调用基类的赋值运算符重载函数时，需要使用作用域限定符进行指定调用。
- 由于多态的某些原因，任何类的析构函数名都会被统一处理为 destructor() 。因此，派生类和基类的析构函数也会因为函数名构成隐藏，若是我们需要在某处调用基类的析构函数，那么就要使用作用域限定符进行指定调用。
- 在派生类的拷贝构造函数和赋值重载函数中调用基类的拷贝构造函数和赋值重载函数的传参方式是一个切片行为，都是将派生类对象直接赋值给基类的引用。
说明一下：基类的构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数我们都可以在派生类当中自行进行调用，而基类的析构函数是当派生类的析构函数被调用后由编译器自动调用的，我们若是自行调用基类的构造函数就会导致基类被析构多次的问题。
我们知道，创建派生类对象时是先创建的基类成员再创建的派生类成员，编译器为了保证析构时先析构派生类成员再析构基类成员的顺序析构，所以编译器会在派生类的析构函数被调用后自动调用基类的析构函数。
5. 继承与友元
友元关系不能继承，也就是说基类的友元可以访问基类的私有和保护成员，但是不能访问派生类的私有和保护成员。
下图为一种错误的做法：
外部函数如果要访问派生类中的protecter或private成员，也要在派生类中加入友元。
6. 继承与静态成员
若基类当中定义了一个static静态成员变量，则在整个继承体系里面只有一个该静态成员。无论派生出多少子类，都只有一个static成员实例。
例如，在基类Person当中定义了静态成员变量_count，尽管Person又继承了派生类Student和Graduate，但在整个继承体系里面只有一个该静态成员。
我们若是在基类Person的构造函数和拷贝构造函数当中设置_count进行自增，那么我们就可以随时通过_count来获取该时刻已经实例化的Person、Student以及Graduate对象的总个数。
7. 继承的方式
单继承：一个子类只有一个父类的继承关系
多继承：一个子类有多个父类的继承关系
菱形继承：多继承的一种特殊情况
从菱形继承的模型构造就可以看出，菱形继承的继承方式存在数据冗余和二义性的问题。
例如，对于以上菱形继承的模型，当我们实例化出一个Assistant对象后，访问成员就会出现二义性。
class Person
{
public:
string _name;
};
class Student : public Person
{
protected:
int _num;
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _id;
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse;
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "peter"; // 存在二义性，不知道要访问哪一个_name
return 0;
}
Assistant对象是多继承的Student和Teacher，而Student和Teacher当中都继承了Person，因此Student和Teacher当中都有_name成员，若是直接访问Assistant对象的_name成员会出现访问不明确的报错。
对于此，我们可以显示指定访问Assistant哪个父类的_name成员。
虽然该方法可以解决二义性的问题，但仍然不能解决数据冗余的问题。因为Assistant的对象在Person成员中会存在两份。
8. 菱形虚拟继承
为了解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题，出现了虚拟继承。如前面说到的菱形继承关系，在Student和Teacher继承Person是使用虚拟继承，即可解决问题。
class Person
{
public:
string _name;
};
class Student : virtual public Person
{
protected:
int _num;
};
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
int _id;
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse;
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "Peter"; // 无二义性
return 0;
}
此时就可以直接访问Assistant对象的_name成员了，并且之后就算我们指定访问Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员，访问到的都是同一个结果，解决了二义性的问题。
而我们打印Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员的地址时，显示的也是同一个地址，解决了数据冗余的问题。
对于菱形继承总结如下：
- 菱形继承是多继承的一种特殊情况，两个子类继承同一个父类，而又有子类继承这两个子类，我们称这种继承为菱形继承。菱形继承因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致数据冗余和二义性的问题。
- 而菱形虚拟继承是指在菱形继承的腰部采用虚拟继承的方式，菱形虚拟继承对于D类对象当中重复的A类成员只存储一份，然后采用虚基表指针和虚基表使得D类对象当中继承的B类和C可以找到自己继承的A成员，从而解决了数据冗余和二义性的问题。
9. 对于继承的总结
很多人都说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就可能存在菱形继承，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菱形继承，否则代码在复杂度以及性能上都容易出现问题，当菱形继承出问题时难以分析，且有一定的效率影响。
多继承可以说是C++的缺陷之一，后来很多的语言都没有多继承，比如Java。
继承和组合
继承是一种is-a的关系，也就是说每一个派生类对象都是一个基类对象；而组合是一种has-a的关系，若是B组合了A，那么每个B对象中都有一个A对象。
例如，车类和宝马类就是is-a的关系，它们之间适合使用继承。
class Car
{
protected:
string _color; // 颜色
string _num; // 车牌号
};
class BMW : public Car
{
};
而车和轮胎之间就是has-a的关系，它们之间则适合使用组合。
class Tire
{
protected:
string _brand; // 品牌
size_t _size; // 尺寸
};
class Car
{
protected:
string _color; // 颜色
string _num; // 车牌号
Tire _t; // 轮胎
};
继承和组合如何选择？
继承是一种is-a的关系，而组合是一种has-a的关系。如果两个类之间是is-a的关系，使用继承；如果两个类之间是has-a的关系，则使用组合；
如果两个类之间的关系既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。为什么？
- 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。术语“白箱”是相对可视性而言；在继承方式中，继承的内部细节对于派生类可见，所以继承在一定程度上破坏了基类的封装，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性关系很强，耦合度高。
- 组合是类继承之外的另外一种复用选择，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，这种复用风格被称之为黑箱复用，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。
- 实际中尽量多使用组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也是有用武之地的，有些关系就适合用继承，另外实现多态也必须要封装。若是类之间的关系既可以用继承，又可以用组合，则优先使用组合。