【C++ ——— 继承】

news2025/1/23 4:04:46

文章目录

  • 继承的概念即定义
    • 继承概念
    • 继承定义
        • 定义格式
        • 继承关系和访问限定符
        • 继承基类成员访问方式的变化
  • 基类对象和派生类对象的赋值转换
  • 继承中的作用域
  • 派生类中的默认成员函数
  • 继承与友元
  • 继承与静态成员
  • 菱形继承
  • 虚继承解决数据冗余和二义性的原理
  • 继承的总结
  • 继承常见笔试面试题

继承的概念即定义

继承概念

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都是函数复用，继承是类设计层次的复用

我们先来观察一下C++中，简单继承的例子

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

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;
}

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。

代码通过对象s和t对Person父类中的Print函数进行的调用
在这里插入图片描述

继承定义

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。

在这里插入图片描述

继承关系和访问限定符

在这里插入图片描述

继承基类成员访问方式的变化

在这里插入图片描述

  1. 其实在正常写代码中我们一般使用public继承，protected和private继承一般不用也不提倡。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. 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。
  3. 关键字struct默认类中所有成员都是public成员，class则是默认private成员，当然日常写代码我们还是提倡显示写出。

基类对象和派生类对象的赋值转换

  • 在public继承，父子类的关系是is-a的关系，子类对象 可以赋值给 基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用，我们认为是天然的，中间不产生临时对象（这叫做父子类的赋值兼容规则）。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(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。

子类对象赋值给父类对象/指针/引用产生切片，只把跟父类有关的数据提取出来。
在这里插入图片描述
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。

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. 子类和父类中有同名成员，子类成员隐藏了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。
// 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();//输出 小李子
	            //     999   学号
	            //     111	 身份证号
};
// 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);
}

派生类中的默认成员函数

1.子类默认构造如果不写就会默认调用父类的构造函数。子类的构造函数，如果想要初始化父类对象，需要把它当作应该完整的对象初始化，而不是单个成员初始化，要去显示调用父类的构造函数。
2.拷贝构造，子类中：对于内置类型值拷贝，内置类型会调用它的拷贝构造。但是对于父类成员呢？去调用父类的拷贝构造
3.赋值，同上一样子类不写的话默认调用父类对象的赋值重载。要显示写的话在派生类中定义一个赋值重载即可，派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
4.析构函数,子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。

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)
 : Person(name )//要初始化父类时必须要显示的调用父类构造函数。（此时调用的是匿名对象）
 , _num(num )
 {
 	cout<<"Student()" <<endl;
 }
 
 Student(const Student& s)
 : Person(s)//子类对象传过去，person的参数是父类对象的引用，发生切片后就可以把父类那一部分取出来了。
 , _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 ;
 } 
//父子类析构函数构成隐藏关系
//由于多态的原因
//析构函数统一会被处理成destruct
//如果想要访问父类析构函数就要指定类域
 ~Student()
 {
 	//Person::~Person();
 	cout<<"~Student()" <<endl;//子类析构函数结束后自动调用父类析构函数
 }
protected :
 int _num ; //学号
};
void Test ()
{
	 Student s1 ("jack", 18);
	 Student s2 (s1);//2.拷贝构造
	 Student s3 ("rose", 17);
	 s1 = s3 ;
}

输出结果：
在这里插入图片描述

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
以下代码中Display函数是基类Person的友元，当时Display函数不是派生类Student的友元，即Display函数无法访问派生类Student当中的私有和保护成员。

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;
}
void main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
}

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
};
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;
}

菱形继承

单继承

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

菱形继承：菱形继承是多继承的一种情况

在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述

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 = "peter";
	// 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 = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
}

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。

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
};
void Test ()
{
	 Assistant a ;
	 a._name = "peter";
}

虚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;
 d._a = 6;
 return 0;
}

我们因为调试窗口有的时候显示不准确。这里我们通过内存窗口观察D对象的状态

我们先来看如果不用虚函数继承的菱形继承在内存中怎么存储

我们再来看使用虚拟继承后
在这里插入图片描述
A对象单独另外存到了最下方。
但是我们可以观察到原本B和C对象内存存储的地方多了两行代码？
为什么B和C里要存这个东西？
我们先来看看B对象内存第一行的地址里存的是什么
在这里插入图片描述
经过观察我们会发现这些代码中存的是对A对象的偏移量偏移20个字节

在这里插入图片描述

继承的总结

1.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. 优先使用组合而不是继承。
  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。

继承常见笔试面试题

  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？

  4. 下面程序输出结果是什么? （）

#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
 A(char *s) { cout<<s<<endl; }
 ~A(){}
};
class B:virtual public A
{
public:
 B(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class C:virtual public A
{
public:
 C(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class D:public B,public C //在继承中谁先继承谁，就先初始化谁，这里初始化A对象，再初始化B，再初始化C
{
public:
 D(char *s1,char *s2,char *s3,char *s4)
 :B(s1,s2)
 ,C(s1,s3)
 ,A(s1)   
 { cout<<s4<<endl;}
};
int main() {
 D *p=new D("class A","class B","class C","class D");
 delete p;
 return 0;
}

【A：class A class B class C class D】 【B：class D class B class C class A】
【C：class D class C class B class A】 【D：class A class C class B class D】
【答案：A】
补充：在继承中谁先继承谁就代表谁先声明。所以谁先继承就先初始化谁，这里初始化A对象，再初始化B，再初始化C

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