【C++】三大特性 --- 继承的详细讲解

news2024/11/25 14:52:05

目录

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

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

1.继承的概念及定义

1.1 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多是函数复用，继承是类设计层次的复用。

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter";
	int _age = 18;

};

//继承方式可以不写，class默认private继承，struct默认是public
class Student : public Person
{

protected:
	int _stuid;//学号

};

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复用了Person的成员。我们可以使用监视窗口查看Student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。

1.2 继承定义

1.2.1定义格式

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。

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

这用的最多的还是共有public继承

总结：

  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。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。
  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。
  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

2.基类和派生类对象赋值转换

  • 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。
  • 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(RunTimeType Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个我们后面文章再讲解，这里先了解一下）
     

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;//会报错
    
    // 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;
}

子类对象/指针赋值给父类对象/父类指针的引用，中间不产生临时对象

int main()
{
	//相近类型可以隐式类型转换
	//int int* 

	double d = 2.2;
	int i = d;//中间产生临时变量，具有常性
	const int& r = d;//不加const会报错，r是临时变量的别名

	Student s;
	Person p = s;//中间也会产生临时变量
	Person& rp = s;//特殊处理
	//public继承，父类和子类是一个is-a 的关系
	//子类对象赋值给父类对象/父类指针的引用，我们认为是天然的，中间不产生临时对象
	//这个叫做父子类复制兼容的规则（切割/切片）

	//父不能给子类

	string str = "xxxx";
	const string& str1 = "xxxx";//自定义类型也是有常性的

	return 0;
}

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。
  2. 当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。
class Person
{
public:
	void func()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
protected:
	string _name = "西兰花";
	int _num = 111;
};

class Student :public Person
{
public:
	void func(int i)
	{
		cout << "void func(int i)" << endl;
	}

	void Print()
	{
		cout << "姓名" << _name << endl;
		cout << "学号" << _num << endl;//就近原则访问自己的
		cout << "学号" << Person::_num << endl;//指定作用域
	}
protected:
	int _num = 999;//可以与父亲成员变量相同
};

//父类和子类可以有同名成员，因为它们是独立作用域
//默认情况直接访问是子类的，子类同名成员隐藏了父类同名成员
//继承中，同名的成员函数，函数名相同就构成隐藏，不管参数和返回值
//函数重载要求在同一作用域里面

int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();

	s1.func(1);//调用自己成员函数
	s1.Person::func();//调用父类同名成员函数

	return 0;
}

4.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？

  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。我们不写编译器会自动调用默认的基类构造，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完成基类的拷贝初始化。
  3. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
  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。因为这样才能保证派生类对象先清理派生类成员再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再调派生类构造。
  6. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
  7. 因为后续一些多态场景析构函数需要构成重写，重写的条件之一是函数名相同(这个我们后面会讲解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()，所以父类析构函不加virtual的情况下，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系，这里先知道就可以。

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "peter")
		:_name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}

	Person(const Person& person)
	{
		_name = person._name;
		_num = person._num;
		cout << "Person(const Person& person)" << endl;
	}

	Person& operator=(const Person& person)
	{
		cout << "Person& operator=(const Person& person)" << endl;
		_name = person._name;
		_num = person._num;
		return *this;
	}

	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}

protected:
	string _name = "西兰花";
	int _num = 111;
};

class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name,int id)//先父后子，按声明的顺序走
	:Person(name)//父类成员当成一个整体,调用父类的构造函数
		,_id(id)
	{
	}

	Student(const Student& s)
		:Person(s)//虽然传的是子类，会发生隐式类型转换
		,_id(s._id)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}

	Student& operator=(const Student& s)//与父类构成隐藏关系，优先调用自己的
	{ 
		cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
		if (&s != this)
		{
			Person::operator=(s);//显示调用
			_id = s._id;
		}
		return *this;
	}

	//由于多态的原因，析构函数同一会被处理成destructor
	//父子类的析构函数构成隐藏
	~Student()
	{
		//Person::~Person();//这里需要指定 ，但是不需要我们自己调用，
                                //编译器会在派生类析构后自动调用
		cout << "~Student()" << endl;
	}
	//构造先父后子
	//析构先子后父，自己调用不能保证先子后父
	//因为子类析构中可能访问父类成员，先析构父类存在风险
	//为了保证析构安全，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
protected:
	int _id;
};

int main()
{
	Student s1("张三",18);
	Student s2(s1);//我们不写编译器自动生成，把父类当成一个整体，调用父类的拷贝构造函数，

	Student s3("李四",19);
	s1 = s3;//我们不写编译器自动生成，把父类当成一个整体，调用父类的赋值运算符重载，子类内置类型值拷贝，自定义类型调用拷贝构造函数
	return 0;
}

5.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。

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 。
 

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。

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。

代码示例： 

//菱形继承
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 _major; // 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";
	a.Teacher::_name = "西老师";
	a.Student::_name = "西同学";
	// 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

}

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。

//菱形继承
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 _major; // 主修课程
};
void Test()
{
	
	Assistant a;
    //虚继承之后是同一份,Teacher与Student中是同一份,改一个都改。可以通过调试查看
    //可以简单理解为存的是引用
	a.Teacher::_name = "西老师";
	a.Student::_name = "西同学";
	
	a._name = "西兰花";
}

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

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;
}

没有使用虚拟继承：

下图是菱形继承的内存对象成员模型，通过调试内存窗口查看：这里可以看到数据冗余，A存在两份。

使用虚拟继承：

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，那么B和C如何去找到公共的A呢？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。虚基表中存的偏移量。通过偏移量可以找到下面的A

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：

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OO(面向对象)语言都没有多继承，如Java。

继承和组合

  1. 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。
  2. 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。
  3. 优先使用对象组合，而不是类继承 。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。

思考题：

  1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
  2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
  3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

本篇结束！

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