C++继承
文章目录
- C++继承
- 1. 继承的概念及定义
- 1.0 继承的引出
- 1.1 继承的概念
- 1.2 继承的定义
- 1.2.1定义格式
- 1.2.2 继承关系和访问限定符
- 1.2.3 继承基类成员访问方式的变化
- protected VS private
- 2. 基类和派生类对象赋值转换
- 3. 继承中的作用域
- 3.1 作用域相关概念
- 3.2 函数隐藏例子
- 4. 派生类的默认成员函数
- 4.1 派生类的构造函数
- 4.2 派生类的拷贝构造函数
- 4.3 派生类的赋值重载
- 4.4 派生类的析构函数
- 补充: 实现一个无法被继承的类
- 4.5 总结
- 5. 继承与友元
- 6. 继承与静态成员
- 7. 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
- 7.1 单继承
- 7.2 多继承
- 7.3 菱形继承
- 7.4 菱形虚拟继承
- 7.5 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
- 7.6 菱形虚拟继承题目
- 8. 继承与组合的区别
- 继承
- 组合
- 9. 继承的总结和反思
- 10. 笔试面试题
C++继承
1. 继承的概念及定义
1.0 继承的引出
如果你身处学校，会接触到学校的学生，老师，保安大叔，保洁阿姨, 想要把这些人用计算机语言描述起来，那么每个人都是一个类。
虽然他们扮演了不同的角色，但是都具有人这个属性，按照上面的写法会造成代码冗余；既然他们都有人的属性，那我们可以把这些公共属性提炼出来单独封装成一个类，供其他类使用，可以防止代码冗余，这就是继承的意义
1.1 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。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
// 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。下面我们使用监视窗口查看Student和Teacher对象，可以看到变量的复用。调用Print可以看到成员函数的复用。
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;
}
1.2 继承的定义
1.2.1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。
1.2.2 继承关系和访问限定符
1.2.3 继承基类成员访问方式的变化
| 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 |
总结：
- 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。
- 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。
- 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。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。
- 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。
- 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。
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
//protected: //在子类可见可用，不可以在类外面使用
//private: //在子类不可见不可用，不可以在类外面使用
public:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
void Print()
{
_name = "zhangsan";
cout << "name:" << _name << endl;
}
protected:
int _stuid; // 学号
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
当基类为public/protected成员时，可见可用:
当基类为private成员时，不可见不可用:
protected VS private
protected和private都不可以在类外面使用
父类中成员访问限定符是protected时，其成员在子类可见可用
父类中成员访问限定符是private时，其成员在子类不可见不可用
2. 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。
先回一下前面的隐式类型转换
int main()
{
double d = 1.1;
int i = d; //隐式类型转换
//int& ri = d; //err
const int& ri = d;
}
将d的值赋值给 i 和 ri, i得到的并不是d本身，而是d产生的临时对象通过隐式类型转换的结果；对于 ri ,是引用来接收d临时对象的值, 那ri就是d临时对象的别名，但是临时对象具有常性(const修饰的), 直接接收就是权限放大；必须用const修饰才能接收
刚回顾了隐式类型转换，回到这里，派生类的对象可以赋值给基类的对象，这个行为并不是刚刚提到的隐式类型转换，也不会产生临时变量，就是直接进行赋值
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
public:
string _name = "peter";
int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid;
};
int main()
{
// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Student s;
Person p = s;
Person& rp = s;
Person* ptrp = &s;
return 0;
}
- 基类对象不能赋值给派生类对象。
int main()
{
Student s;
Person p;
//2.基类对象不能赋值给派生类对象
s = p; //err
return 0;
}
- 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(Run-Time Type Information) dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。（ps：这个我们后面再讲解，这里先了解一下）
3. 继承中的作用域
3.1 作用域相关概念
- 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
- 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）
- 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。
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 << Person::_num << endl; //显示访问
cout << _num << endl; //隐藏
}
protected:
int _num = 999; // 学号
};
void Test()
{
Student s1;
s1.Print();
};
int main()
{
Test();
}
明显子类中有父类的同名成员，直接访问时，子类成员将屏蔽父类对同名成员的直接访问:
那如果想使用基类的成员变量，就需要明确作用域，基类::基类成员来显示访问:
3.2 函数隐藏例子
// 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)
{
cout << "func(int i)->" << i << endl;
}
};
void Test()
{
B b;
b.fun(10);
b.A::fun();
};
int main()
{
Test();
}
A和B中的fun函数构成隐藏，直接b.fun(10)访问的是B中的fun函数，如果想访问A中的函数需要明确作用域b.A::fun()来访问
4. 派生类的默认成员函数
以这个代码为例:
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
{
protected:
int _num; //学号
};
int main()
{
Student s1;
Student s2(s1);
Student s3;
s1 = s3;
}
4.1 派生类的构造函数
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。
就如上不写派生类的构造函数时, 可以正常运行:
如果想要去写派生类的构造函数可以这样写:
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int num=18)//构造函数
:Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
protected:
int _num; //学号
};
4.2 派生类的拷贝构造函数
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。
不写派生类的构造函数时, 可以正常运行:
如果想要去写派生类的拷贝构造函数可以这样写:
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int num=18)//构造函数
:Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)//拷贝构造函数
:Person(s) //这里就是切片
,_num(s._num)
{}
protected:
int _num; //学号
};
Person(s) 发生的就是切片
4.3 派生类的赋值重载
派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
不写派生类的赋值重载时, 可以正常运行:
如果想要去写派生类的运算符重载时，在调用基类的运算符重载时，要指定好作用域，避免派生类与基类构成隐藏
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int num=18)//构造函数
:Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)//拷贝构造
:Person(s)
, _num(s._num)
{}
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
//operator=(s); //构成隐藏，会调用自己的
Person::operator=(s); //调用父类的函数需要指定作用域
_num = s._num;
}
return *this;
}
protected:
int _num; //学号
};
调用顺序:
4.4 派生类的析构函数
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。
派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
在派生类中直接去调用父类的析构函数会发生错误
- 因为多态的原因，编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。加上特定的作用域后，可以正常运行
~Student()
{
Person::~Person();
}
但是运行结果发现多调用了一次父类的析构函数
- 如果成员变量有开辟出来的空间，并且析构中释放的话，就会导致一块空间析构两次，这样是错误的。析构函数这里也需要与前三部分的不同：析构不需要像前三个一样显式调用对应的基类的析构函数，而是会自动生成基类的析构函数。因此，不必在派生类的析构函数中调用基类的析构，而是会自动生成。
总结: 析构函数不要显式调用
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int num)
: Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student&s)
: Person(s) //切片
, _num(s._num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
//operator=(s); //构成隐藏，调用自己的
Person::operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
~Student()
{
//子类析构函数完成时, 会自动调用父类析构函数,保证先析构子再析构父
}
protected:
int _num; //学号
};
int main()
{
Student s1("jack", 18);
}
- 顺序:
构造顺序: 先构造父类，再构造子类
析构顺序: 先析构子类，再析构父类
补充: 实现一个无法被继承的类
要想实现一个无法被继承的类，只需要将构造函数或析构函数私有即可
class A
{
public:
static A CreateObj() //这是用来实例化A的
{
return A();
}
private:
A()
{}
};
class B: public A
{};
int main()
{
B bb;
A::CreateObj();
return 0;
}
4.5 总结
- 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。
- 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。
- 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。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。
- 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
- 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
- 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(这个我们后面会讲解)。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。
5. 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
class Student;//前置声明
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; //err
}
int main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
return 0;
}
Display函数并不属于Student类的友元 ，无法通过Display函数来访问Student类中的成员
如果想要访问，需要将Display函数同时作为两个类的友元
class Student;
class Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << p._name << endl;
cout << s._stuNum << endl;
}
int main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
6. 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
};
int main()
{
Person p;
Student s;
Graduate g1;
Graduate g2;
cout << Person::_count << endl;
cout << Graduate::_count << endl;
}
通过static静态成员也可以计算出创建了多少个对象
将Person类中的_name访问限定符变成public, 那么就可以对比普通成员和静态成员
这也更加验证了无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例 。
7. 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
7.1 单继承
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
7.2 多继承
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
7.3 菱形继承
菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。
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。
7.4 菱形虚拟继承
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";
}
以上的代码，可以通过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, 所以就提出了虚继承来解决这个问题
通过地址可以看出, 他们代表的不是同一个变量
虚拟继承，关键字：virtual
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";
}
通过地址也可以看出, 他们代表的都是同一个变量
7.5 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
如果是普通的菱形继承，像这样：
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 = 1;
d._c = 2;
d._d = 3;
d.B::_a = 4;
d.C::_a = 5;
return 0;
}
我们知道这样会造成二义性和代码冗余，并且通过监视窗口了解数据，然而监视窗口是优化后的，并不能直接看到原始的内存分配，因此下面打开内存窗口观察：
整体都作为D类的数据，D类继承了A、B、C，由于菱形继承的代码冗余，发现B和C继承下来的A都存在在D中，而虚拟继承为了解决两个A同时出现，采用了以下的策略：(虚继承的代码)
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 = 1;
d._c = 2;
d._d = 3;
d.B::_a = 4;
d.C::_a = 5;
return 0;
}
发现，虚拟继承将普通菱形继承在B和C中的A都消除了，在一个新的位置单开了一个位置存储A，但同时也发现，多出来两个东西，代表的是什么我们不知道，所以再开两个窗口看看这个地址存储的是什么东西：
由于是小端16进制，需要成对的倒着读。即B中地址指向的大小为20，C中地址指向的大小为12，通过左侧内存已知的两段地址相减，正好一一对应，而这两个数字就是举例虚基类对象的偏移量。为什么会有偏移量？如果是相同类的赋值，根本不需要这样的东西，而上面谈到过，将派生类赋值给基类会发生切片，切片就会导致等号两边的对象的成员变量的相对位置会发生变化，由于A地址只有一个，此时如果仍要找到该成员变量的位置，就需要一个数据记录下来之前的相对位置，这样才能通过各种作用域去访问同一个A。总结一句话: 这样的目的就是通过偏移量找到公共的A。
那为什么普通的菱形继承没有这个偏移量呢？因为普通的菱形继承不会优化成一个A，这也就代表每一个A都有一个对应的值，他们并不相同，因此不需要通过各种作用域去访问同一个A，每一个作用域都有属于自己的A。
所以可以看出普通菱形继承和菱形虚拟继承的区别：
- 普通菱形继承无法将多个相同的继承类变成一个，这些类即便成员相同，但存储的值也不同。
- 菱形虚拟继承则是将普通菱形继承的相同的继承的类合并成一个，即便访问方式（即作用域）不同，每一个访问方式也能通过相对偏移量找到相同的A。
那这样看起来，似乎由于偏移量的产生使内存占用更多了？当然不是，如果A占用的内存非常大，此消彼长之下，内存空间的占用就会变小。
7.6 菱形虚拟继承题目
#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
{
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;
}
答案: A B C D
解释:
对象模型: D中包含了B C A ， 只有一份A, 所以是调用D中的A一次，A只打印1次
调用顺序: 初始化列表初始化的顺序与声明顺序有关，这里是谁先被继承就是谁先被声明 ,所以顺序就是: A B C D
8. 继承与组合的区别
下面分别是继承和组合的代码:
继承
共有继承是一种 is-a的关系，B可以直接用A中的3个成员，A改动保护成员会影响B
继承的耦合性高，就像跟团，团体旅游
class A
{
public:
void func(){}
protected:
int _a1;
int _a2;
};
class B: public A
{};
组合
组合是一种 has-a的关系， D可以直接用C中的1个成员，间接用另外2个成员，C改动保护成员和私有成员基本不影响D
组合的耦合性低，就像跟团，自由旅游
class C
{
public:
void func() {}
protected:
int _c1;
int _c2;
};
class D
{
private:
C _cc;
};
9. 继承的总结和反思
- 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。
- 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的其他语言都没有多继承，如Java。
- 继承与组合
-
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。
10. 笔试面试题
- 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
- 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
- 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
答案:
-
多继承中的一种特殊继承，即一个类可能被另一个类以不同的作用域继承多次。菱形继承会导致代码的二义性及数据冗余。
-
通过virtual将 “菱形继承的腰部” 进行修改，防止腰部以下重复使用相同的类。解决冗余与二义性则通过偏移量的访问方式。
-
继承与组合就像白箱与黑箱，对于非public，一个一览无余，一个恰好相反。因此，在需要派生类和基类间的依赖关系强时，就用继承。相反就用组合。如果都可以，就优先使用组合。