C++-继承

C++继承

继承的概念及定义

继承的概念

继承机制是面向对象程序设计使代码可以复用的常用手段,它允许程序员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是函数复用,继承是类设计层次的复用。

最普通的继承例子

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
class Person
{
public:
void Print()
{
cout<<"name"<<_name<<endl;
cout<<"age"<<_age<<endl;
}
protected:
string _name = "peter";
int _age = 18;
};

class Student :public Person
{
protected:
int _stuid;
};

class Teacher: public Person
{
protected:
int _jobid;
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
}

继承的定义

定义格式如图

继承

继承基类成员访问方式的变化
类成员(列)/继承方式(行) 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 派生类中不可见 派生类中不可见 派生类中不可见
继承小结

1.基类private成员在派生类中无论以什么方式继承都不可见。这里的不可见是指在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的里面还是类的外面都不能去访问它。可以概括的理解不可见那么派生类就完全不能访问基类的所有成员。

2.基类private成员在派生类中是无法被访问的,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。

3.根据表格可以看到,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==min(成员在基类的访问限定符,继承方式)。

4.使用关键字class时默认的继承方式是private,使用struct时的默认继承方式是public,不过最好显示的写出继承方式。

5.在实际运用中一般都是用public继承,protected/private继承一般很少用。也不提倡使用这两种继承,实际中的扩展与维护不强。

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做切片(其实我个人认为与python中的切片意思差不多)。把派生类中父类那部分切下赋值过去。

基类对象不能赋值给派生类对象

基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针。但是必须了解

继承2

上图为切片的模型

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
class Person
{
public:
void Print()
{
cout<<"---"<<endl;
}
protected :
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public :
void Print()
{
cout<<"_No"<<_No<<endl;
}
int _No ; // 学号
};
void test()
{
Student A;
//1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person B;
Person* bb = &A;
Person& aa = A;
bb->Print();
aa.Print();

A = B;//这是错误的赋值方式,2.基类的对象不能赋值给派生类对象

//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
bb = &A;
Student* pp1 = (Student*)bb;
pp1->_No = 10;
pp1->Print();

bb = &B;
Student* pp2 = (Student*)bb;//这相当于将基类强转成派生类,在赋值给派生类,这种转换虽然可以,但会是存在越界访问的情况
pp2->_No = 1000;
pp2->Print();
}

继承中的作用域

在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域

关键!!!

关键!!!

关键!!!

子类和父类中有同名函数,子类成员将屏蔽父类对成员函数的直接访问,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。

如果是成员函数的隐藏,只要函数名相同就构成隐藏。所以在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
class Person
{
protected :
string _name = "skr"; // 姓名
int _num = 666; // 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 = 12138; // 学号
};

虽然这样编译可以编译过也能运行,但是太容易让人混淆了,都是_num,当程序复杂起来这就一定会成为一个BUG的大坑等着自己去跳。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
class skr
{
public:
void fun()
{
cout << "Do you have freestyle?" << endl;
}
};
class cxk : public skr
{
public:
void fun(int i)
{
skr::fun();
cout <<"I like singsing dance rap and basketball "<<i<<endl;
}
};
void Test()
{
cxk b;
b.fun(10);
};

当skr::fun()调用时的情况完全不同

当没有skr::fun()直接调用时

继承3

当具有skr::fun()直接调用时

继承4

skr类和cxk类中的fun函数不是构成重载,因为它们不是同一个作用域。它们构成了隐藏。这就印证了当子类与父类同时具有同名函数时,子类函数将屏蔽父类对成员函数的访问。其实就是它们都不能在随便的互相访问了,父类对象只能访问父类自己的成员函数,子类可以访问双方的成员函数,但是子类如果想要访问父类的成员函数需要使用固定的格式基类::成员函数,才可以进行访问。

派生类的默认成员函数

在基类中我们一般新写了一个类之后,如果不是必须的话,我们由系统操作完成对默认成员函数的创建,但是派生类中是继承基类,又是如何?

  • 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。

  • 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造函数完成基类的拷贝初始化

  • 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制

  • 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。但是清理的顺序是先清理派生类成员在清理基类的成员的顺序

  • 派生类对象初始化先调用基类构造函数在调用派生类构造

  • 派生类对象析构先调用派生类析构函数在调用基类析构函数

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    24
    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
    32
    33
    34
    35
    36
    37
    38
    39
    40
    41
    42
    43
    44
    45
    46
    47
    48
    49
    50
    51
    52
    53
    54
    55
    56
    57
    58
    59
    60
    61
    62
    63
    64
    65
    66
    67
    68
    69
    70
    71
    72
    73
    74
    75
    76
    77
    78
    79
    #include <iostream>
    #include <string>

    using namespace std;

    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;
    };

    class Student :public Person
    {
    public:
    Student(const char* name,int num)
    :Person(name)
    ,_num(num)
    {
    cout<<"Student()"<<endl;
    }
    Student(const Student& s)
    :Person(s)
    ,_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;
    }
    ~Student()
    {
    cout<<"~Student"<<endl;
    }
    protected:
    int _num;
    };
    int main()
    {
    Student s1("jack",18);
    cout<<endl;
    Student s2(s1);
    cout<<endl;
    Student s3("rose",17);
    cout<<endl;
    s1 = s3;
    cout<<endl;
    return 0;
    }

继承5

运行如图,打印的结果为派生类和基类的先后调用顺序

常见面试题

实现一个类不能被继承

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
class NoInherit
{
public:
static NoInherit GetInstance()
{
return NoInherit();
}
private:
NoInherit()
{

}
};
//在c++98中构造函数私有化,派生类中调不到基类中的构造函数,则无法继承

class NoInherit final
{}
//在C++11中给出了新的关键字final禁止继承

继承与友元

友元函数可以直接访问类的私有成员,它是定义在类外部的普通函数,不属于任何类,但需要在类的内部声明,声明时需要加friend关键字。

但是友元关系不能被继承,也就是说类友元不能访问子类私有和保护成员

继承6

比如在实例代码中,友元函数想要访问子类的私有成员和保护的成员,结果显示编译错误

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继承成员。无论派生出多少个子类,都还是只有一个static成员实例

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
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
};
int main()
{
Student s1 ;
Student s2 ;
Student s3 ;
Graduate s4 ;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
Student ::_count = 0;
cout <<" 人数 :"<< Person ::_count << endl;
}

运行结果为04,这说明静态成员只有一个,最后设为0,就又被赋值为0了。

菱形继承和菱形虚拟继承

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

1
2
3
4
5
6
class A
{}
class B:public A
{}
class C:public B
{}

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

1
2
3
4
5
6
class A
{}
class B
{}
class C:public A,public B
{}

菱形继承

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
class Person
{}

class Student:pubilc Person
{}
class Teacher:public Person
{}

class Assistant:public Student,public Teacher
{}

菱形继承的问题从对象成员模型构造中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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
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";
}

重复的数据依旧没有得到一个好的解决,通过虚拟继承可以同时解决数据二义性和数据冗余。在Student和Teacherd的继承Person时使用虚拟继承。虚拟继承不能乱用,更不能将其想为虚函数,它们是完全没有关系的

当使用了虚继承之后,数据只有一份了,改动任意一处,都只会对这一部分数据产生变化

虚基表

继承7

总的来说,虚基表是因为虚继承的存在才出现的,为了解决数据二义性和数据冗余,虚基表为了能够准确寻找到基类的地址(就是为了从派生类中访问虚基类成员时),通过虚基表指针来访问基类成员变量。

具体操作为该指针地址+偏移量即为基类成员的地址

继承的总结

多继承可以体现出C++语法的复杂。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,这让底层的实现越来越复杂。所以我们也不建议使用多继承去设计。

多继承也被看做是C++的缺陷之一。

继承和组合

继承是一种is-a的关系,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,B组合了A,每个B对象中都有一个A对象

优先使用组合,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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
// 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
};
-------------The End-------------