内容专栏: C/C++编程
本文概括: 继承的概念与定义、基类与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、菱形继承与虚继承、继承的总结与反思。
本文作者: 阿四啊
发布时间:2023.11.9
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。
简单讲,我们在学C语言时写快排、堆排、冒泡排序的时候都会写一份swap交换函数,然后用到交换元素的时候复用这一份swap函数代码即可,而类与类之间设计层次的复用就称为继承。
比如:我们拟实现一个学生管理系统,实现一个学生Student
类,我们只需要描述关于学生的一些字段像学号、成绩…等,实现一个老师Teacher
类,我们只需要描述关于老师的一些字段像工号、课程的安排……等,
而一些共有的描述像姓名、年龄、性别……等,我可以实现一个Person
类进行封装。
以上在继承关系中作为被继承类的类Person
,称为父类或者基类。
在继承关系中作为继承类的类Student
、Teacher
,称为子类或者派生类。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
// 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。下面我们使用监视窗口查看Student和Teacher对象,可
//以看到变量的复用。调用Print可以看到成员函数的复用。
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; // 工号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}
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。
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:
成员在基类的访问限定符与继承方式的最小值
),public > protected > private。// 实例演示三种继承关系下基类成员的各类型成员访问关系的变化
class Person
{
public :
void Print ()
{
cout<<_name <<endl;
}
protected :
string _name ; // 姓名
private :
int _age ; // 年龄
};
//class Student : protected Person
//class Student : private Person
class Student : public Person
{
protected :
int _stunum ; // 学号
};
在之前我们讲过,当不同类型的两个变量之间进行赋值时,会发生隐式类型转换。所谓隐式类型转换,是指不需要用户干预,编译器默认进行的类型转换行为。
以下写法,编译不通过。因为double类型转换为int类型,中间产生临时变量。
int main()
{
//内置类型
double d = 1.1;
int a = d;//中间会产生临时变量
int& i = d;//编译不通过,中间会产生临时变量,临时变量具有常性
//自定义类型
string str = "xxxx";//隐式类型转换
string& pstr = "xxxx";//编译不通过,中间会产生临时变量,临时变量具有常性
}
当不同类型的两个变量之间进行赋值时,中间会产生临时变量。
但是以下现象却不一样,基类Person
继承以public继承方式继承给子类Student
,父类和子类是is-a的关系。在main函数中,创建一个子类对象s
,把s
赋值给一个父类对象p
,运行之后编译通过。
class Person
{
public:
void Print()
{}
private:
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
protected:
int _stunum; // 学号
};
int main()
{
Student s;
Person p = s;
Person& rp = s;
return 0;
}
这里的public继承,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
,我们把他叫做父子类赋值兼容规则,也叫切割或者切片。
⚠️注意:
class Person
{
protected:
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
int _No; // 学号
};
void Test()
{
Student sobj;
// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person pobj = sobj;
Person* pp = &sobj;
Person& rp = sobj;
//2.基类对象不能赋值给派生类对象
sobj = pobj;//error
// 3.基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针
pp = &sobj;
Student * ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的。
ps1->_No = 10;
pp = &pobj;
Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以,但是会存在越界访问的问题
ps2->_No = 10;//error
}
基类::基类成员
显示访问)// 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;
}
protected:
int _num = 999; // 学号
};
void Test()
{
Student s1;
s1.Print();
};
// B中的fun和A中的fun不是构成重载,因为不是在同一作用域
// B中的fun和A中的fun构成隐藏,成员函数满足函数名相同就构成隐藏。
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
void fun(int i)
{
A::fun();
cout << "func(int i)->" <<i<<endl;
}
};
void Test()
{
B b;
b.fun(10);
};
6个默认成员函数,“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?
//派生类的默认成员函数
//有了继承便有了三种情况:内置类型对象、自定义类型对象、基类对象
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, int num)
//这里可以理解为调用匿名对象的方式,调用父类的构造函数
: Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
//父子类赋值兼容规则(切片)
: Person(s)
, _num(s._num)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
Student& operator= (const Student& s)
{
cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
//由于多态的原因,析构函数统一被处理为destructor
//父子类析构函数构成隐藏
//为什么最好不在子类中调用父类的析构函数?
//为了保证析构安全,编译器处理为先子后父
//父类析构函数不需要显示调用,子类析构函数结束时会自动调用父类析构,保证先子后父!
~Student()
{
Person::~Person();
cout << "~Student()" << endl;
}
protected:
int _num; //学号
};
void Test()
{
Student s1("zhangsan", 18);
Student s2(s1);
Student s3("lisi", 17);
s1 = s3;
}
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;
cout << s._stuNum << endl;
//"Student::_stuNum”: 无法访问 protected 成员(在“Student”类中声明)
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
基类定义了static静态成员,静态成员在所有类对象中共享一份,所以整个继承体系中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
};
void TestPerson()
{
Student s1 ;
Student s2 ;
Student s3 ;
Graduate s4 ;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
Student ::_count = 0;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}
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。
那么聪明的你肯定看出来了,菱形继承会带来一些问题。
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问题,在Assistant
的对象中Person
对象成员会包含两份。
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
};
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 = "张三";
// 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 = "小张";
a.Teacher::_name = "老张";
}
虚拟继承(添加virtual
关键字)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。
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。
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;
}
通过查看菱形继承的内存成员对象模型,我们发现了数据的冗余。
将代码再次转换为虚继承,查看虚继承的内存成员对象模型,这里我们分析出,D对象中将A放到了所有对象组成的最下面,这个A同时属于B和C,那么B和C如何找到公共的A呢?这里是通过B和C两个指针,指向的一张表。这两个指针叫做虚基表指针
,两张表叫做虚基表
。虚基表中存放的是偏移量。如图中黄色方框部分,B通过偏移14(十六进制,十进制表示为20)个字节找到A,C通过偏移0c(十六进制,十进制为12)个字节找到A。
is-a
的关系。也就是说每个派生类对象都是一个基类对象。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。