C++中的继承
C++中的继承
- 继承的概念和定义
-
- 继承的概念
- 继承的定义
-
- 定义格式
- 继承关系和访问限定符
- 继承基类成员，派生类中基类成员的访问方式变化
- 基类和派生类对象赋值转换
- 继承中的作用域
- 派生类的默认成员函数
- 继承与友元
- 继承与静态成员
- 复杂的菱形继承及虚拟继承
- 继承的总结与反思
继承的概念和定义
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。继承是类设计层次的复用。
继承的定义
定义格式
Person父类，也称基类；student是子类，也称派生类。
继承关系和访问限定符
继承基类成员，派生类中基类成员的访问方式变化
| 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 | 在派生类不可见 | 在派生类中不可见 | 在派生中不可见 |
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。指基类的私有成员还是被继承到派生类对象中，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.基类private成员在派生类中是不能被访问，如果基类成员在类外直接被访问，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。
3.基类的私有成员在派生类中都是不可见的。基类的其他成员在派生类的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承方式限定符)，public>protected>private。
4.使用关键字class是默认的继承方式是private，使用struct是默认的继承方式是public。
5.实际运用中一般使用都是public继承，很少使用protected/private继承，实际中的扩展维护性不强。
基类和派生类对象赋值转换
- 派生类对象可以赋值给基类对象/基类指针/基类引用。这里的赋值叫做切片或切割，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派生类对象才是安全的。如果基类是多态类型，可以使用RTTI的dynamic_cast来进行识别后进行安全转换。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
string _name = "张三";
int _age = 20;
};
class student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
void test()
{
student obj;
//子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person pobj = obj;
Person* ppobj = &obj;
Person& rp = obj;
Person obj2;
//基类对象不能赋值给派生类对象
//obj2 = pobj; //error
//基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针
ppobj = &obj2;
student* ps1 = (student*)ppobj; //这里明确知道ppobj是一个父类指针，但是指向子类对象，所以这种情况转换是可以的
student* ps2 = (student*)&obj2; //虽然这里也可以赋值成功，但是obj2是一个基类对象，会存在越界访问的问题
// ps2->_stuid = 1003; //越界访问
}
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.子类和父类有同名成员，子类成员将屏蔽对父类同名成员的访问，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.如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。
4.在实际中继承体系中最好不要定义同名成员。
//代码1，成员变量构成隐藏
class Person
{
protected:
string _name = "小明"; //姓名
int _num = 111; //省份证号码
};
class Student : public Person
{
public:
void Print()
{
cout << "姓名:" << _name << endl;
cout << "省份证号:" << Person::_num << endl; //这里派生类的_num与基类的_num构成隐藏，访问基类的_num需要显示访问
cout << "学号:" << _num << endl;
}
protected:
int _num = 1001; //学号
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
//代码2 成员函数构成隐藏
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "A::fun()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
cout << "B::fun(int i)" << endl;
}
};
int main()
{
B b;
//b.fun(); // 这样直接调用是会报错，因为派生类的fun与基类的fun构成了隐藏
b.A::fun(); //需要显示调用
b.fun(2); //默认调用是调用派生类的fun(int i)
return 0;
}
派生类的默认成员函数
编译器自动生成的成员函数叫做默认成员函数。
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。
2.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的拷贝初始化，如果基类没有默认拷贝构造，且我们没有显示调用拷贝构造，则编译器就会自动调用默认的构造函数初始化基类，如果基类也没有默认的构造函数，则编译器报错。
3.派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的赋值。(这里需要显示调用基类的operator=，因为基类的operator=与派生类的operator=构成隐藏)。
4.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。因为只有这样才能保证派生类对象先清理派生类成员在清理基类成员的顺序。
5.派生类对象初始化先调用基类构造在调用派生类构造。
6.派生类对象析构清理先调用派生类析构在调用基类析构。
7.编译器会对析构函数名特殊处理，处理成destructor(),所以基类的析构函数不加virtual的情况下，基类析构函数与派生类析构函数构成隐藏关系。
//示例代码
#include 
继承与友元
友元关系不能继承。基类友元不能访问派生类私有和保护成员
class Student; //前置声明
class Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
string _name;
};
class Student : public Person
{
protected:
int _num;
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << "name : " << p._name << endl;
//cout << "name : " << s._num << endl; //error
}
int main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
return 0;
}
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。无论派生出多少个派生类，都只有一个static示例。
class Person
{
public:
Person()
{
++_count;
}
protected:
string _name;
public:
static int _count;
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
public:
int _num;
};
int main()
{
Person p1;
Student s1;
cout << "--------------" << endl;
cout << p1._count << endl;
cout << s1._count << endl;
cout << "--------------" << endl;
cout << &Person::_count << endl;
cout << &Student::_count << endl;
return 0;
}
复杂的菱形继承及虚拟继承
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
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
菱形继承是多继承的一种特殊情况
从下图的对象成员模型构造，可以看出菱形有数据冗余和二义性的问题。
在C的对象中A成员会有两份
class A
{
public:
int _a = 0;
};
class B1 : public A
{
public:
int _b1 = 1;
};
class B2 : public A
{
public:
int _b2 = 2;
};
class C : public B1, public B2
{
public:
int _c;
};
void test()
{
C c;
//c._a = 10; //这里会有二义性，编译器不明确_a是访问B1还是B2的
//需要指明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
c.B1::_a = 2;
c.B2::_a = 4;
c._b1 = 1;
c._b2 = 3;
c._c = 5;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的关系，在B1和B2继承A时使用虚拟继承(virtual关键字)，即可解决问题。
class A
{
public:
int _a;
};
//B1虚拟继承A
class B1 : virtual public A
{
public:
int _b1;
};
//B2虚拟继承A
class B2 : virtual public A
{
public:
int _b2;
};
class C : public B1, public B2
{
public:
int _c;
};
void test()
{
C c;
//c._a = 10; //这里会有二义性，编译器不明确_a是访问B1还是B2的
//虚拟继承之后C对象访问A对象时不会再有数据二义性和数据冗余的问题
c._a = 2;
c._b1 = 1;
c._b2 = 3;
c._c = 5;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
对象成员模型
class A
{
public:
int _a;
};
//B1虚拟继承A
class B1 : virtual public A
{
public:
int _b1;
};
//B2虚拟继承A
class B2 : virtual public A
{
public:
int _b2;
};
class C : public B1, public B2
{
public:
int _c;
};
下图是菱形虚拟继承的内存对象模型
这里是通过B1和B2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。
B1类和B2类的不同对象中的虚基表指针都会指向同一张虚基表。
发生切片时都是只赋值属于基类的那一部分，但是会通过虚基表的偏移量和起始地址做加法运算得到A类成员的地址，从而找到成员_a。
注意：这里不是每示例一个对象就生成一张虚基表，而是同一个类共用一张虚基表。
通过虚基表中的偏移量，找到A类中的成员，在C对象中只有一个_a成员，C中的B1和B2共用一个_a成员，这里就很好的解决了数据的二义性和数据的冗余性。
继承的总结与反思
1.一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OOP(面向对象)语言都没有多继承，如Java。
3.继承和组合
- public继承时is-a的关系。也就是说一个派生类对象都是一个基类对象。
- 组合是has-a的关系。假设B组合了A，也就是每一个B对象里面都有一个A。
- 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称为白箱复用。“白箱”是相对可视性而言：在继承中，基类的内部细节对派生类可见。继承一定程度上破坏了基类的封装性，基类的改变对派生类的影响很大。基类和派生类的依赖关系很强，耦合度很高。
- 对象的组合是复用的另一种方式。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，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，可以用组合，就用组合。
// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
class Car
{
protected:
string _colour = "black"; // 颜色
string _num = "ABCDE123"; // 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 = "xxx"; // 品牌
size_t _size = 15; // 尺寸
};
class Car
{
protected:
string _colour = "black"; // 颜色
string _num = "ABCDE123"; // 车牌号
Tire _t; // 轮胎
};