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【C++】继承

巧乐兹_d41f 2023-04-28 阅读 110
c++

文章目录

📕 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都是函数复用，继承是类设计层次的复用。

比如现在有一个 Person 类，然后有一个 Student 类，那么 Student 类可以继承 Person 类。如下，派生类又被称为子类，基类又被称为父类，继承方式可以有三种。
请添加图片描述

如下，是语法的格式说明表，但是，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。

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

根据上面的语法，可以总结以下几点：

  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. 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。

举个栗子：

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:   // 在子类可见的 
    int _x;
private:  // 在子类也是不可见(不能用)  
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18;  // 年龄
};

class Student : public Person
{
public:
	void func()
	{
		// 不可见
		// cout <<_name << endl;
		
		cout<<_x<<endl;
		cout << "void func()" << endl;
	}
protected:
	int _stuid; // 学号
};


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

	return 0;
}

📕 切片

如下，这是隐式类型转换， int i = d; 这是将 d 放到一个临时变量里面，并将其变成 int 的格式，然后将这个临时变量赋值给 i 。 const int & ri = d ; 这里加 const 的原因是，临时变量具有常性，不可更改，如果不加 const，对临时变量的引用 ri 就可以更改临时变量的值，相当于权限放大，这是不可以的。

以上是我们对于内置类型的类型转换的一些理解。

	double d = 1.1;
	int i = d;  // 隐式类型转换
	const int& ri = d;

但是对于 C++ 中的类，也是可以进行类型转换的，但是只能由 子类 转换成 父类。子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用。

如下，比如对于 Student 类和 Person 类，Student 类必定是子类，那么用 Student 类的对象 s 来构造 p，这里用到了切片的技术。将 Student 类里面，继承父类而来的成员变量，切片并赋值给父类。
请添加图片描述

	Student s;
	Person p = s;  // 切片（或者叫切割）
	Person& rp = s;
	Person* ptrp = &s;

同样地，对于父类的 引用、指针 也可以使用切片的技术。父类引用，直接引用子类继承父类而来的成员；父类指针，也是直接指向子类中继承父类的成员。

请添加图片描述

📕 隐藏

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）

如下，Student 类中和 Person 类中都有同名成员 _name ，在 Student 类中使用 _name 变量的时候，如果不限定域，那么就是根据 “就近原则” 使用Student 类里面的_name 变量；但是如果限定了域，就使用该域里面的。

class Person
{
protected:
	string _name = "小李子"; // 姓名
	int _num = 111; 		// 身份证号
};

class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		// 限定域
		cout << Person::_num << endl;
		// 不限定域，就近访问本类中的同名成员
		cout << _num << endl;
	}

protected:
	int _num = 999; // 学号
};

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

	return 0;
}

对于成员函数构成隐藏，也是类似的原理。如下，B类继承A类，并重定义了 fun 函数（只需要函数名相同即可），那么用 B 类的对象 b，调用 fun 函数的时候，默认调用 B类中的。限定域之后，才调用指定域里面的。

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

class B : public A
{
public:
    // 构成隐藏
	void fun(int i)
	{
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};


int main()
{
	B b;
	b.fun(10);
	b.A::fun();

	return 0;
}

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。
注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

📕 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。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构成隐藏关系。

如下，当创建一个子类的时候，是先调用父类的构造函数，然后调用子类的构造函数，这样才算是构造出了一个子类的对象，然后使用这个对象，析构的时候，先调用子类析构，再调用父类析构。

请添加图片描述
如下，这是对Person类 和 Student类 的较为完整的写法。
对着上面的规定，就可以理解下面的写法。

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)
		,_num(num)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}

	// 没有显示调用父类的构造，但是会自动调用父类的默认构造
	//Student(const char* name, int num)
	//	: _num(num)
	//{
	//	cout << "Student()" << endl;
	//}


	Student(const Student& s)
		:Person(s)  // 切片
		, _num(s._num)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;

	}

	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s);
			_num = s._num;
		}
		cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;

		return *this;
	}

	// 析构函数会被处理成destructor
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
	// 子类析构函数完成时，会自定调用父类析构函数，保证先析构子再析构父

protected:
	int _num; //学号
};

int main()
{
	Student s1("张三", 18);

	Student s2(s1);

	Person p = s1;  // Person 构造，传参的时候，参数进行切片

	s1 = s2;

	return 0;
}

📕 友元、静态成员

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。

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 。

📕 菱形继承

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。

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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。

请添加图片描述
通过下列代码，可以看出其问题。

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。如下代码。

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";
}

那么，虚拟继承解决问题的原理何在？以下面的代码为例。

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;
}

如果没有虚拟继承，那么，观察其内存结构，如下图所示，D 对象里面包含 B、C 对象，同时 B、C 对象都包含 A 对象。这就会产生数据冗余和二义性。

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但是，加上虚拟继承之后，内存情况如下，A 的对象被放到 D 对象的最下方，B、C 对象里不再有 A 对象，取而代之的是一个地址，这是一个虚表地址（虚表里面主要存储的是虚函数的地址），虚表里存放了一个偏移量，它代表的是当前对象的起始位置 到 对象A 的位置 的偏移量。
例如，要通过对象B（说明当前指针在对象B的起始位置），找到对象A的数据，直接访问虚表里面的偏移量，然后指针根据偏移量 偏移，就找到A的数据了。

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📕 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。

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