【C++跬步积累】—— 继承

已于 2024-12-06 17:39:15 修改
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分类专栏： C++跬步积累 文章标签： c++ 开发语言
于 2024-12-03 21:36:32 首次发布
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文章目录

  • 继承的概念及定义
    • 继承的概念
    • 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
    • 总结：
  • 基类和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
  • 继承和友元
  • 继承与静态成员
  • 继承的方式
    • 单继承
    • 多继承
    • 菱形继承
    • 菱形虚拟继承
  • 菱形虚拟继承原理
  • 继承的总结和反思
  • 相关笔试题

继承的概念及定义

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，称为派生类。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。我们之前的接触的复用都是函数复用，继承是类设计层次的复用。
示例：

//父类
class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "PH_modest";//姓名
	int _age = 21;//年龄
};

//子类
class Student : public Person
{
protected:
	int  _stuid;//学号
};
//子类
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（成员变量和成员函数）都会变成子类的一部分。这里体现了子类Student和Teacher复用了Person的成员。

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

基类当中被不同访问限定符修饰的成员，以不同的继承方式继承到派生类当中，该成员最终在派生类中的访问方式将会发生变化。

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

结论：

  1. 当基类中的成员访问方式为public或者protected的成员，在派生类当中的访问方式变为Min(成员在基类的访问方式，继承方式)；
  2. 当基类的成员访问方式为private时，在派生类中都是不可见的
  3. 三种限定符的权限大小：public > protected > private

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的，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. 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。
  4. 在实际运用中一般使用的都是public继承，几乎很少使用protected/private继承，也不提倡使用protected/private继承，因为使用protected/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。

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。
  • 基类的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。

图示：
在这里插入图片描述
代码演示：

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 s;
	//1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	Person p = s;
	Person* pp = &s;
	Person& rp = s;

	//2.基类对象不能赋值给派生类对象
	s = p;//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 = &s;//基类指针指向派生类时是安全的
	Student* ps1 = (Student*)pp;//这种情况转换时是可以的
	ps1->_No = 10;

	pp = &p;//基类指向基类是不安全的
	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;
}

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，子类成员将屏蔽父类对同名成员的直接访问，这种情况叫做隐藏，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。

例1：

下面代码中Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样的代码虽然能跑，但是非常容易混淆

class Person
{
protected:
	string _name = "PH_modest";//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 s;
	s.Print();
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

例2：

下面代码中，
B中的fun和A中的fun不是构成重载，因为不是在同一个作用域。
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);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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，编译器会帮我们自动生成一个，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。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。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()，所以父类析构函数不加virtual的情况下，子类析构函数和父类析构函数也构成隐藏关系。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

示例：

class Person
{
public:
	//构造函数
	Person(const char* name = "PH_modest")
		:_name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}
	//拷贝构造
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
	{
		cout << "Person(const person& p)" << endl;
	}
	//运算符重载
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;
		return *this;
	}
	//析构函数
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
protected:
	string _name;
};

//派生类
class Student :public Person
{
public:
//显示调用父类，先父后子，初始化顺序跟声明的顺序有关
	Student(const char* name, int num)
		:Person(name)//调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员
		,_num(num)//初始化派生类的成员
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}
	Student(const Student& s)
		:Person(s)//调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝构造
		,_num(s._num)//拷贝构造派生类的成员
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator=(const Student& p)"<<endl;
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s);//调用基类的operator=完成基类成员的赋值
			_num = s._num;//完成派生类成员的赋值
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
		//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
	}
protected:
	int _num;
};

void Test()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
	s1 = s3;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

图示：

在这里插入图片描述

小知识：

  • 派生类和基类的赋值运算符重载因为函数名相同，构成隐藏，因此在派生类当中调用基类的赋值运算符重载函数时，需要使用作用域限定符进行指定调用。
  • 在派生类的拷贝构造函数和operator=当中调用基类的拷贝构造函数和operator=的传参方式是一个切片行为，都是将派生类对象直接赋值给基类的引用。
  • 基类的构造函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数我们都可以在派生类当中自行进行调用，而基类的析构函数是当派生类的析构函数被调用后由编译器自动调用的，我们若是自行调用基类的构造函数就会导致基类被析构多次的问题。
  • 析构函数调用的顺序是，先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数。假设析构先父后子，那么会存在安全隐患，可能父类资源已经被清理释放了，但是子类的析构函数又去访问，会存在野指针等风险。
  • 构造函数中初始化顺序是先父后子，因为初始化列表初始化顺序跟声明的顺序有关。

继承和友元

友元关系不能继承，也就是说基类的友元可以访问基类的私有和保护成员，但是不能访问派生类的私有和保护成员。

例如，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。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Student;
class Person
{
public:
	//声明Display是Person的友元
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; //姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _id; //学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl; //可以访问
	cout << s._id << endl; //无法访问
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}

若想让Display函数也能够访问派生类Student的私有和保护成员，只能在派生类Student当中进行友元声明。

class Student : public Person
{
public:
	//声明Display是Student的友元
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	int _id; //学号
};

继承与静态成员

若基类当中定义了一个static静态成员变量，则在整个继承体系里面只有一个该静态成员。无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例。

例如，在基类Person当中定义了静态成员变量_count，尽管Person又继承了派生类Student和Graduate，但在整个继承体系里面只有一个该静态成员。
我们若是在基类Person的构造函数和拷贝构造函数当中设置_count进行自增，那么我们就可以随时通过_count来获取该时刻已经实例化的Person、Student以及Graduate对象的总个数。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//基类
class Person
{
public:
	Person() 
	{ 
		_count++; 
	}
	Person(const Person& p) 
	{
		_count++;
	}
protected:
	string _name; //姓名
public:
	static int _count; //统计人的个数。
};
int Person::_count = 0; //静态成员变量在类外进行初始化
//派生类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; //学号
};
//派生类
class Graduate : public Person
{
protected:
	string _seminarCourse; //研究科目
};
int main()
{
	Student s1;
	Student s2(s1);
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << Person::_count << endl; //4
	cout << Student::_count << endl; //4
	return 0;
}

此时我们也可以通过打印Person类和Student类当中静态成员_count的地址来证明它们就是同一个变量。

cout << &Person::_count << endl; //00F1F320
cout << &Student::_count << endl; //00F1F320

继承的方式

单继承

定义：一个子类只有一个直接父类时，称这个继承关系为单继承。

在这里插入图片描述

多继承

定义：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

定义：菱形继承是多继承的一种特殊情况。

提示：出现的少，尽量少用

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。

示例：
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";
}

菱形虚拟继承

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。

在这里插入图片描述

虚拟继承代码如下：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Person
{
public:
	string _name; //姓名
};
class Student : virtual public Person //虚拟继承
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person //虚拟继承
{
protected:
	int _id; //职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; //主修课程
};
int main()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter"; //无二义性
	return 0;
}

此时就可以直接访问Assistant对象的_name成员了，并且之后就算我们指定访问Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员，访问到的都是同一个结果，解决了二义性的问题。（virtual加在与父类相邻的类当中）

cout << a.Student::_name << endl; //peter
cout << a.Teacher::_name << endl; //peter

而我们打印Assistant的Student父类和Teacher父类的_name成员的地址时，显示的也是同一个地址，解决了数据冗余的问题。

cout << &a.Student::_name << endl; //0136F74C
cout << &a.Teacher::_name << endl; //0136F74C

菱形虚拟继承原理

在此之前，我们先看看不使用菱形虚拟继承时，以下菱形继承当中D类对象的各个成员在内存当中的分布情况。

在这里插入图片描述

测试代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	int _a;
};
class B : public A
{
public:
	int _b;
};
class C : 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;
}

通过内存窗口，我们可以看到D类对象当中各个成员在内存当中的分布情况如下：

在这里插入图片描述
也就是说，D类对象当中各个成员在内存当中的分布情况如下：

在这里插入图片描述

这里就可以看出来为什么菱形继承导致了数据冗余和二义性，根本原因就是D类对象当中包含了两个_a成员。

现在我们再来看看使用菱形虚拟继承时，以下菱形继承当中D类对象的各个成员在内存当中的分布情况。

在这里插入图片描述

测试代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
	int _b;
};
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;
}

通过内存窗口，我们可以看到D类对象当中各个成员在内存当中的分布情况如下：

在这里插入图片描述

其中D类对象当中的_a成员被放到了最后，而在原来存放两个_a成员的位置变成了两个指针，这两个指针叫虚基表指针，它们分别指向一个虚基表。
虚基表中包含两个数据，第一个数据是为多态的虚表预留的存偏移量的位置（这里我们不必关心），第二个数据就是当前类对象位置距离公共虚基类的偏移量。
也就是说，这两个指针经过一系列的计算，最终都可以找到成员_a。

在这里插入图片描述

我们若是将D类对象赋值给B类对象，在这个切片过程中，就需要通过虚基表中的第二个数据找到公共虚基类A的成员，得到切片后该B类对象在内存中仍然保持这种分布情况。

D d;
B b = d; //切片行为

得到切片后该B类对象当中各个成员在内存当中的分布情况如下：

在这里插入图片描述
其中，_a对象仍然存储在该B类对象的最后。

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释：

在这里插入图片描述

继承的总结和反思

  1. 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。
  2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承，如Java。
  3. 继承和组合
    • 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。
    • 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。
    • 优先使用对象组合，而不是类继承 。
    • 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。
// Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
   class Car{
   protected:
   string _colour = "白色"; // 颜色
   string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
   };
   
   class BMW : public Car{
   public:
   void Drive() {cout << "好开-操控" << endl;}
   };
   
   class Benz : public Car{
   public:
   void Drive() {cout << "好坐-舒适" << endl;}
   };
   
   // Tire和Car构成has-a的关系
   
   class Tire{
   protected:
       string _brand = "Michelin";  // 品牌
       size_t _size = 17;         // 尺寸
   
   };
   
   class Car{
   protected:
   string _colour = "白色"; // 颜色
   string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
    Tire _t; // 轮胎
   };

相关笔试题

什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

菱形继承是多继承的一种特殊情况，两个子类继承同一个父类，而又有子类同时继承这两个子类，我们称这种继承为菱形继承。
菱形继承因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致数据冗余和二义性的问题。

什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性？

在这里插入图片描述
菱形虚拟继承是指在菱形继承的腰部使用虚拟继承(virtual)的继承方式，菱形虚拟继承对于D类对象当中重复的A类成员只存储一份，然后采用虚基表指针和虚基表使得D类对象当中继承的B类和C类可以找到自己继承的A类成员，从而解决了数据冗余和二义性的问题。

继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

继承是一种is-a的关系，而组合是一种has-a的关系。如果两个类之间是is-a的关系，使用继承；如果两个类之间是has-a的关系，则使用组合；如果两个类之间的关系既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。

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