240607 继承

news2024/10/11 21:32:02

面向对象三大特性：封装、继承、多态

RE: 封装

  1. C++把数据和方法封装在类里面
  2. 迭代器和适配器

继承

1 基类 & 派生类

一个类可以派生自多个类，这意味着，它可以从多个基类继承数据和函数。定义一个派生类，我们使用一个类派生列表来指定基类。类派生列表以一个或多个基类命名，形式如下：

class 派生类（子类）: 访问修饰符 基类（父类）
	注：
	访问修饰符是 public、protected 或 private 其中的一个，
	未使用它则默认是 private

假设有一个基类 Shape，Rectangle 是它的派生类，如下所示：

#include <iostream>
using namespace std;
 
// 基类
class Shape 
{
   public:
      void setWidth(int w)
      {
         width = w;
      }
      void setHeight(int h)
      {
         height = h;
      }
   protected:
      int width;
      int height;
};
 
// 派生类
class Rectangle: public Shape
{
   public:
      int getArea()
      { 
         return (width * height); 
      }
};
 
int main(void)
{
   Rectangle Rect;
 
   Rect.setWidth(5);
   Rect.setHeight(7);
 
   // 输出对象的面积
   cout << "Total area: " << Rect.getArea() << endl;
 
   return 0;
}

2 访问控制和继承

访问			public	 protected	 private
同一个类		yes		 yes		 yes
派生类		yes		 yes		 no
外部的类		yes		 no			 no

3 赋值兼容转换（切片）

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 。
（切片：把派生类中基类那部分切来赋值过去） 赋值语句：父类对象 = 子类对象
而 基类对象不能赋值给派生类对象 。
注：单独的语法规则，不是类型转换，没有产生临时变量，与下述引例机制不同

引例：截断和提升

// 类型转换会产生临时变量
int i = 1234;
printf("%x\n", i);// 4d2
// 截断
char ch = i;
printf("%x\n", ch);// ffffffd2
// 提升
i = ch;
printf("%x\n", i);// ffffffd2

const int& ref_i = i;// 临时变量具有常性
printf("%d\n", ref_i);// -46

const char& ref_ch = ch;// 临时变量具有常性
printf("%d\n", ref_ch);// -46

1234 的二进制表示为：10011010010（除 2 取余法）
补全至16位：0000 0100 1101 0010
然后，将每一组二进制转换为十六进制：
0000 = 0
0100 = 4
1101 = D（大小写皆可）
0010 = 2
最终组合成十六进制：4d2

第一个输出结果：4d2

截断：
因为 char 类型只占用 1 个字节（8 位），而 i 是一个 32 位的整数，在赋值给 char 时，只保留了最低 8 位的内容（1101 0010，即 0xd2），其余高位被截断。
留下的内容最高位是 1，表明这是一个负数，当 char 被提升为 int 以打印时，会进行符号扩展，高位会被填充为 1，使得 ch 变成 0xFFFFFFD2（在 32 位系统上）。

第二个输出结果：ffffffd2

提升:

ch 是有符号类型且其值为 1101 0010，
找到补码：当前的二进制数 11010010 就是补码。
求反码（将所有位取反）：11010010 取反后得到：00101101
加 1：00101101 + 1 = 00101110
这个结果是 00101110，对应的十进制值是 46。
因为符号位是 1，表示这是一个负数，所以最终值为：-46。

ch 是有符号类型且其值为 0xD2（-46 in decimal），类型提升时高位会填充符号位，因此 i 的值为 0xFFFFFFD2

第三个输出结果：ffffffd2

// 赋值兼容转换
Shape Sh1;
Rect1.name = "RECT";
Sh1 = Rect1;
Shape* ptr = &Sh1;
Shape& ref = Sh1;
ptr->name += "x";
ref.name += "x";
Rect1.PrintName();
Sh1.PrintName();
cout << endl;

两次打印结果如下：

RECT
RECTxx

对象的赋值是拷贝赋值；
Rect1 和 Sh1 是两个独立的对象： 由于 Sh1 是 Rect1 的副本，对 Sh1 的修改不会影响 Rect1，反之亦然。

4 继承的作用域

各作用域的影响：

作用域语法编译查找规则生命周期
局部域✅✅
全局域✅✅
命名空间域
（默认不查找，除非展开或指定）		✅不存在
类域✅不存在
4.1 示例1
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 << "学号:" << _num << endl;// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系
        cout << "身份证号:" << Person::_num << endl;
    }
protected:
    int _num = 999; // 学号
};

void TestStu()
{
    Student s1;
    s1.Print();
};

姓名:小李子
学号:999
身份证号:111

4.2 示例2
class A {
public:
    void ft() {
        cout << "void ft()" << endl;
    }
};

class B :public A {
public:
    void ft(int i) {
        A::ft();
        cout << "void ft(int i), i = " << i << endl;
    }
};

void TestB() {
    B b;
    b.ft(1);
    // Q：重载，隐藏，编译报错，运行报错？
    // A：两者构成隐藏，函数重载的前提是在同一个作用域
}

void ft()
void ft(int i), i = 1

变式：

class A {
public:
    void ft() {
        cout << "void ft()" << endl;
    }
};

class B :public A {
public:
    void ft(int i) {
        cout << "void ft(int i), i = " << i << endl;
    }
};

void TestB() {
    B bb;
    bb.ft();
    // Q：重载，隐藏，重写，编译报错，运行报错？（不定项选择）
    // A：两者构成隐藏且编译报错
    // 如何调用父类？
	b2.A::ft();
}

5 继承过程中涉及的构造、拷贝构造和析构函数的工作机制

5.1 构造函数在继承中的作用和调用顺序
5.1.1 构造函数的调用顺序

当创建派生类对象时，基类的构造函数会先于派生类的构造函数被调用。这是因为派生类需要依赖基类的成员和功能，所以必须先初始化基类部分。
在构造派生类对象时，不能先初始化派生类再初始化基类，因为派生类的构造函数可能依赖于基类的成员。如果基类未先初始化，这些成员将包含随机值，从而导致不确定的行为。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    Base() {
        cout << "Base Default Constructor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() {
        cout << "Derived Default Constructor" << endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    return 0;
}

输出：

Base Default Constructor
Derived Default Constructor

解释：

  • 基类成员当成一个整体：在构造派生类对象时，基类部分被当作一个整体，调用其默认构造函数来初始化。
  • 派生类自己的成员：
    • 内置类型成员：根据编译器的实现，可能会自动初始化（如置零），也可能不处理，产生未定义的值。
    • 自定义类型成员：会调用它们的默认构造函数进行初始化。
5.1.2 派生类构造函数如何初始化基类

如果基类没有默认构造函数，或者需要传递参数，可以在派生类的构造函数的初始化列表中显式调用基类的构造函数。

示例：

class Base {
public:
    int baseValue;
    Base(int x) : baseValue(x) {
        cout << "Base Parameterized Constructor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    int derivedValue;
    Derived(int x, int y) : Base(x), derivedValue(y) {
        cout << "Derived Parameterized Constructor" << endl;
    }
};

解释：

  • 派生类的构造函数在初始化列表中调用了基类的构造函数 Base(x)，并初始化了自己的成员 derivedValue(y)。
5.2 拷贝构造函数在继承中的行为
5.2.1 默认拷贝构造函数的生成

当你没有显式定义拷贝构造函数时，编译器会为你生成一个默认拷贝构造函数。对于派生类，默认拷贝构造函数的行为如下：

  • 基类成员当成一个整体：调用基类的拷贝构造函数来复制基类部分的数据。
  • 派生类自己的成员：
    • 内置类型成员：逐个成员进行值拷贝（浅拷贝）。
    • 自定义类型成员：调用它们的拷贝构造函数进行复制。

示例：

class Base {
public:
    int baseValue;
    Base(int x) : baseValue(x) {}
    Base(const Base& other) : baseValue(other.baseValue) {
        cout << "Base Copy Constructor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    int* derivedValue;
    Derived(int x, int y) : Base(x) {
        derivedValue = new int(y);
    }
    // 默认拷贝构造函数
    // Derived(const Derived& other) : Base(other), derivedValue(other.derivedValue) {}
    ~Derived() {
        delete derivedValue;
    }
};

当我们执行以下代码：

Derived d1(10, 20);
Derived d2 = d1; // 调用默认拷贝构造函数

可能的问题：

  • derivedValue 是一个指针，默认拷贝构造函数会进行浅拷贝，即复制指针的值。
  • 这会导致 d1 和 d2 的 derivedValue 指向同一块内存，可能在析构时造成重复释放（double free）等错误。
5.2.2 需要自定义拷贝构造函数的情况

当派生类的成员涉及到动态内存分配或需要深拷贝时，必须自定义拷贝构造函数。

示例（自定义拷贝构造函数）：

class Derived : public Base {
public:
    int* derivedValue;
    Derived(int x, int y) : Base(x) {
        derivedValue = new int(y);
    }
    Derived(const Derived& other) : Base(other) { // 调用基类的拷贝构造函数
        derivedValue = new int(*other.derivedValue); // 深拷贝
        cout << "Derived Copy Constructor" << endl;
    }
    ~Derived() {
        delete derivedValue;
    }
};

解释：

  • 基类成员当成一个整体：在派生类的拷贝构造函数中，显式调用了基类的拷贝构造函数 Base(other)。
  • 派生类自己的成员：
    • 内置类型成员：如果有内置类型成员，默认会进行值拷贝。
    • 自定义类型成员：需要手动编写代码来实现深拷贝，防止多个对象共享同一块内存。
5.3 析构函数在继承中的作用和调用顺序
5.3.1 析构函数的调用顺序

当销毁派生类对象时，析构函数的调用顺序与构造函数相反：

  1. 首先调用派生类的析构函数，清理派生类特有的资源。
  2. 然后调用基类的析构函数，清理基类部分的资源。

示例：

class Base {
public:
    ~Base() {
        cout << "Base Destructor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        cout << "Derived Destructor" << endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    return 0;
}

输出：

Derived Destructor
Base Destructor

解释：

  • 先销毁派生类部分，释放派生类特有的资源。
  • 然后销毁基类部分，确保对象的所有资源都被正确释放。
5.3.2 虚析构函数的重要性

在涉及多态的情况下，如果你通过基类指针删除派生类对象，基类的析构函数必须是虚函数（virtual），否则可能导致派生类的析构函数不被调用，造成资源泄漏。

示例：

class Base {
public:
    virtual ~Base() {
        cout << "Base Destructor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        cout << "Derived Destructor" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    delete ptr; // 正确调用派生类和基类的析构函数
    return 0;
}

输出：

Derived Destructor
Base Destructor

解释：

  • 基类的析构函数被声明为虚函数后，delete 基类指针时，会先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数。
  • 如果基类析构函数不是虚函数，只会调用基类的析构函数，派生类的资源可能得不到释放。
5.4 总结与注意事项
5.4.1 默认构造函数的行为
  • 基类成员：在派生类的构造过程中，基类部分被当作一个整体，调用基类的默认构造函数。
  • 派生类的内置类型成员：编译器可能会自动初始化（如置零），也可能不处理，这取决于编译器实现。
  • 派生类的自定义类型成员：会调用它们的默认构造函数进行初始化。
5.4.2 默认拷贝构造函数的行为
  • 基类成员：调用基类的拷贝构造函数，复制基类部分的数据。
  • 派生类的内置类型成员：逐个成员进行值拷贝（浅拷贝）。
  • 派生类的自定义类型成员：调用它们的拷贝构造函数。
5.4.3 何时需要自定义拷贝构造函数
  • 当派生类的成员涉及到动态内存分配、文件句柄、网络连接等需要深拷贝的资源时，必须自定义拷贝构造函数和赋值运算符，以正确管理资源，防止浅拷贝带来的问题。
5.4.4 赋值操作符的注意事项
  • 类似于拷贝构造函数，赋值操作符在默认情况下也会进行浅拷贝。如果涉及到需要深拷贝的成员，应该自定义赋值操作符。
5.4.5 避免资源泄漏和悬垂指针
  • 正确地管理对象的生命周期，确保析构函数能被正确调用，防止资源泄漏。
  • 注意浅拷贝带来的悬垂指针问题（指针指向已被释放的内存）。

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