【C++】继承
C++中的继承
- 1.继承的概念及定义
-
- 1.1继承的概念
- 1.2继承定义
-
- 1.2.1定义格式
- 1.2.2继承关系和访问限定符
- 1.2.3继承基类成员访问方式的变化
- 2.基类和派生类对象赋值转换
- 3.继承中的作用域
- 4.派生类的默认成员函数
-
- 4.1构造函数
- 4.2拷贝构造
- 4.3赋值重载
- 4.4析构
- 5.继承与友元
- 6.继承与静态成员
- 7.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
- 8.继承的总结和反思
- 9.关于继承的题
自我名言：只有努力，才能追逐梦想，只有努力，才不会欺骗自己。
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1.继承的概念及定义
1.1继承的概念
假设我想给学校的各类人如学生，老师，食堂阿姨等都抽象出来，写一个类。
如果这样设计类的话，给每一个类都要写上同样成员是不是太麻烦了。
有没有这样一种可能，我给这些重复的东西提取出来再写一个类。然后提供给其他类使用呢？
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。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << _name << endl;
cout << _age << endl;
}
protected:
string _name = "zhangsan";
int _age = 18;
};
//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。
class Student:public Person
{
protected:
int _stuid;//学号
};
class Teacher :public Person
{
protected:
int _jobid;//工作号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}
1.2继承定义
1.2.1定义格式
Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。
1.2.2继承关系和访问限定符
1.2.3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 |
由于C++是比较早出现的语言，又没有其他语言对这块内容的参照，因此设计的非常麻烦，但是这里我们总结总结就非常简单了。
总结：
1.基类中是私有（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的对象中，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。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << _name << endl;
cout << _age << endl;
}
protected:
int _age = 18;
private:
string _name = "zhangsan";
};
class Student:public Person
{
public:
void Func()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
int _stuid;
};
不想基类的中某个成员在派生类中用，就是可以设置私有。
2.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。
3.实际上面表格进行一下总结就会发现，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中的访问方式 == Min(成员在基类中的访问限定符，继承方式)，public>protected>private。
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。
2.基类和派生类对象赋值转换
class Person
{
protected:
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
public:
int _age=20; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
int _No; // 学号
};
int main()
{
Person p;
Student s;
//派生类对象赋值给基类对象,但中间不存在类型转换，也就是说不产生临时变量
p = s;
//我们知道d赋值给i，会产生临时变量
double d=1.1;
int i=d;
return 0;
}
这是为什么呢？
C++规定，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。
rp变成子类中属于父类那部分的别名
rrp指向自己中属于父类的那部分
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(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这里先了解一下，后面再说）
3.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。
class Person
{
protected:
string _name = "张三 "; // 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:" << _num<< endl;
}
protected:
int _num = 999; // 学号
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
看上面结果，身份证号是999，可是子类继承下来的身份证号是111啊，仔细观察看到，父类的身份证成员变量名和子类的学号成员变量名是一样的。
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，想要访问父类，可以使用 基类：基类成员 指定作用域显示访问)
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "A::func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
cout << "B::func(int i)->" << i << endl;
}
};
int main()
{
B b;
//我想调用父类中的fun函数，因此没有传参过去，但是报错了
b.fun();
return 0;
}
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。
这样就没问题了。
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。
注意这样的知识点。可能这会有一道题，请问两个fun什么关系。
重载 ， 重写 ， 重定义/隐藏， 编译报错。
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "A::func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
cout << "B::func(int i)->" << i << endl;
}
};
这里一定不能和重载搞混淆了，重载要在同一作用域。
上面是构成隐藏，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。
4.派生类的默认成员函数
这里为什么只有派生类的默认成员函数，而没有基类的默认成员函数呢？
这是因为基类的默认成员函数和其他类无任何差别。
有六个默认成员函数，分别是构造，析构，拷贝构造，赋值重载，取地址，const取地址这六个大爷。最后两个大爷很好伺候，我们主要伺候前面四个大爷。
4.1构造函数
class Person
{
public:
Person(const char* name="zhangsan")
: _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:
protected:
int _num; //学号
};
int main()
{
Student s;
return 0;
}
没有写构造，编译器调用默认构造函数，对于父类成员调用父类的构造函数完成初始化。
自己写构造，不能在派生类的构造函数中直接对父类成员初始化，父类成员的初始化只能调用父类的构造函数完成初始化。
4.2拷贝构造
不写默认生成，属于父类那一部分调用父类的拷贝构造。
自己写，为什么这样 传参？
4.3赋值重载
没写拷贝构造，编译器调用默认的没有错。
下面是我们自己写的。
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
报栈溢出的错误。
这是因为同名函数，子类隐藏了父类，因此一直调用的是子类operator=，这里指定作用域就可以解决这个问题。
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
4.4析构
这是自己写的析构。
~Student()
{
~Person();
}
代码看着没问题啊，为啥报错了。
其实子类的析构有两大怪！
第一怪：子类析构和父类析构构成隐藏关系。
子类析构和父类析构函数名明明都不一样，咋还能构成隐藏关系呢。这是由于多态关系需求，所有析构函数都会特殊处理成destructor同名函数。
那修改一下代码，调用父类的试试。
~Student()
{
Person::~Person();
}
对比左右两图。
自己写了析构，竟然调用了6次析构。
第二怪：子类先析构，父类在析构（子类析构函数，不需要显示调用父类析构，子类析构后会自动调用父类析构）
因此子类析构函数，只用管自己就好了。子类析构之后系统会自动调用父类析构。
5.继承与友元
一句话：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="zhangsan";
};
class Student:public Person
{
protected:
int _age=23;
};
void display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << p._name << endl;
cout << s._age << endl;//报错
}
int main()
{
Person p;
Student s;
display(p, s);
return 0;
}
属于基类的有元不能访问子类的私有和保护成员。想要访问子类那就给子类也加上有元。
6.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
};
int main()
{
Person p;
Student s;
p._name = "zhangsan";
s._name = "xiaozhang";
return 0;
}
普通成员，不是同一份，每个对象都有一个属于自己的普通成员。不会和其他对象产生交集。
而静态成员都是同一份。静态成员属于整个类，所有对象，同时也属于所有派生类及对象。
下面有一道有意思的题。
class Person
{
public:
Person() { ++_count; }
void Print()
{
cout << this << endl;
}
//protected:
string _name; // 姓名
public:
static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person::_count = 0;
int main()
{
Person* ptr = nullptr;
cout << ptr->_name << endl;//1
cout << ptr->_count << endl;//2
ptr->Print();//3
return 0;
}
请问1，2，3谁对谁错呢？
1是错的。
ptr是一个指针指向空，解引用去找_name，但是_name是一个普通成员变量在对象里面，可ptr并没有指向一个对象。因此报错。
2是对的。
这里或许会感到奇怪，ptr->_count不也是解引用找_count吗。1就错2咋不错。其实这里给我们提一个醒，不是一（->）就是解引用。
这里不得不提到C++内存的分布
3也是对的。
ptr->Print()也不是解引用，而是告诉编译器该去哪里找。在把ptr地址传过去。因为成员函数也不在对象里。而在代码段。
如果把Print()函数改一改，这次还会掉进坑吗？
void Print()
{
//cout << this << endl;
cout << _name << endl;//1
cout << _count << endl;//2
}
1还是错的，2还是对的。原因和上述一样。
请问3，4对吗？
(*ptr).Print();//3
cout << (*ptr)._count << endl;//4
3，4都是对的。
这里主要告诉我们，不是*，->就是解引用。可能指针只是告诉在那个域（传递this指针）。
7.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：菱形继承是多继承的一种特殊情况。
多继承并不难，有多继承就可能有菱形继承，但菱形继承是一个大坑。
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 _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
//二义性
Assistant a;
a._name = "xiaozhang";
return 0;
}
初步解决方法，指定作用域访问。
虽然二义性的问题可以指定作用域访问，但是数据冗余问题无法解决。
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。
谁引发了数据冗余就在这个类虚拟继承。
class Person
{
public:
string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
protected:
int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
//二义性
Assistant a;
a._name = "xiaozhang";
a.Student::_name = "zhangsan";
a.Teacher::_name = "zhanglaoshi";
return 0;
}
这样用的同一个Person。
下面看看虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理。
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 = 1;
d._c = 2;
d._d = 3;
d.B::_a = 4;
d.C::_a = 5;
//菱形虚拟继承
//d._a = 6;
return 0;
}
为了研究虚拟继承原理，我们给出了一个简化的菱形继承继承体系，再借助内存窗口观察对象成员的模型。
首先看菱形继承的内存对象成员模型，这里可以看到数据冗余。
下面是菱形虚拟继承的内存对象模型。
从上图分析可以看出，D对象将A放到了对象组成的最下面，并且这个A同时属于B和C。
那B和C对象里放的是什么，并且B和C是如何找到公共A的呢？
B和C圈红线存储的是一个地址（虚基表指针）。
这里补充一下知识：
数据存储分为两种方式，分别是大端存储模式和小端存储模式。
对这块知识不太情况可以点击这里深度刨析数据在内存中的存储，打通你的任督二脉。
我的电脑是小端存储，也就是说数据高地址放在内存的低地址，数据低地址放在内存的高地址。
注意到这个虚基表里面有数据，14和0c，因为这里是16进制，所以14对应的是20，0c对应的是12。前面的00 00 00 00是为了后面预留的，多态之后这里还是填一个值。
那存储20和12是干嘛的。
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。虚基表中存的是偏移量。通过偏移量可以找到下面的A。
这里有童鞋会有疑问为什么要有偏移量呢，A不就在下面吗。那B/C还去要偏移量找A干什么。
B b;
b._a = 1;
b._b = 2;
//这里ptr指向B对象，从B对象中找A
B* ptr = &b;
ptr->_a = 10;
ptr->_b = 20;
//这里ptr指向从d中切割的b对象。从D中找A
ptr = &d;
ptr->_a = 11;
ptr->_b = 21;
单看这两句找A代码是一样的，但是A的偏移量是不一样的。
注意，虚继承之后，B的对象模型也改变了，虚基类就不在在对象里面了。也是放在下面。
在不同对象里虚基类（A）偏移量不确定的，所以需要记录偏移量去算这个位置。
其次这里可能还会有童鞋觉得这里不是数据更多了吗，需要虚基表指针和虚基表，那怎么说解决数据冗余了呢？
其实这里只是我给的数据给小了，换成很大的数据，而只需要虚基本指针和虚基表，然后就只存储一份数据不就是解决了数据冗余的问题吗。
这里只是效率相对来说变慢了，需要先根据虚基表指针找到距离虚基类对象的偏移量然后才能找到这个对象。
8.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，很多后来的其他语言都没有多继承，如Java。
3. 继承和组合
// 继承
class X
{
int _x;
};
class Y : public X
{
int _y;
};
// 组合
class M
{
int _m;
};
class N
{
M _mm;
int _n;
};
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。
is-a就是那种我即是你的关系。
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。
has-a是那种眼睛和头部的关系
优先使用对象组合，而不是类继承 。
继承和组合都是一种复用手段。
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，可以用组合，就用组合。
9.关于继承的题
- 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
- 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
- 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
学完这一篇内容，就可以回答了。