C++——继承

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目录

继承的概念及定义

继承的概念

继承的定义

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

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

继承与友元

继承与静态成员

复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

继承的总结

继承的概念及定义

        面向对象的三个基本特征：封装、继承、多态。在前面的讲解中封装已经用的很多了，那么接下来的两篇文章就来介绍一下继承和多态。

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。

        举一个例子，曾经写过的学生管理系统，我们可以拓展一下，写一个学校的管理系统，学校的的成员有学生，有老师，还有职工人员，每个人的信息都有姓名、年龄、学号和工号、家庭住址等等，所以这就可以有一个公共的类存放这些公有的信息，这就要用到继承，再单独写出学生、老师这些类去继承这个公共的类。被继承的这个类就叫做父类或基类，继承的类就叫做子类或派生类。所以继承体现的是类设计定义层次的复用。

class Person
{
protected:
    string _name = "xxx"; // 姓名
    int _age = 18;  // 年龄
};

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

class Teacher : public Person
{
protected:
    int _jobid; // 工号
};

int main()
{
    Student s;
    s._name = "张三";
    s._age = 18;

    Teacher t;
    t._name = "老师";
    t._age = 30;
}

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。

继承的定义

定义格式

Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。

继承关系和访问限定符

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：

  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. 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。

  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。

  5. 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。

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开，pp用指针去指向，rp是切出来的别名，所以算子类对象的大小也是要算父类的。

  • 基类对象不能赋值给派生类对象，因为基类少了一部分。

  • 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，下一篇多态再讲解。

class Person
{
protected:
	string _name = "xxx"; // 姓名
	int _age = 18;
};

class Student : public Person
{
public:
	int _stuid = 0; // 学号
};

int main()
{
	Student s;
	// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	// 注意这里不是同类型，但不是隐式类型转换
	// 算是一个特殊支持
	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;
}

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。

// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:
    int _num = 111; // 身份证号
};
class Student : public Person
{
public:
    void Print()
    {
        cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl; // 111
        cout << " 学号:" << _num << endl; // 999
    }
protected:
    int _num = 999; // 学号
};
// B中的fun和A中的fun不构成重载，只有在同一作用域的情况才构成重载
// 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;
    }
};

派生类的默认成员函数

        6个默认成员函数，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，我们一个一个说：

子类默认生成的构造函数：

  1. 对于自己的成员会做什么不变。
  2. 对于继承的父类成员，必须调用父类的构造函数初始化，所以要在子类构造函数的初始化列表调用父类构造函数。
class Person
{
public:
	Person(const char* name = "peter")
		: _name(name)
	{
		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;
	}
protected:
	int _num; //学号
};

int main()
{
	Student s("张三", 1);
}

子类默认的拷贝构造函数：

  1. 对于自己的成员做什么不变。（内置类型值拷贝，自定义类型调用它的拷贝构造）
  2. 对于继承的父类成员，必须调用父类的拷贝构造函数。
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;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		: Person(name)
		, _num(num)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}

	Student(const Student& s)
		: Person(s) // 调用父类的拷贝构造要传入子类再切片
		, _num(s._num)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号
};

int main()
{
	Student s("张三", 1);
}

赋值运算符重载：

这个也是差不多的处理方式。

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;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
};
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); // 这里一定要指定父类的作用域，不然会无限递归导致栈溢出，因为两个同名函数构成隐藏
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
protected:
	int _num; //学号
};

int main()
{
	Student s("张三", 1);
	Student s1 = s;
}

默认生成的析构函数

  1. 子类的析构函数跟父类析构函数构成隐藏。
  2. 由于后面多态的需要，析构函数名字会统一处理成destructtor()。
  3. 不需要显示调用父类析构函数，每个子类析构函数后面，会自动调用父类析构函数，这样才能保证先析构子类再析构父类。
class Person
{
public:
	Person(const char* name = "peter")
		: _name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}
    ~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;
	}
    ~Student()
    {
        // Person::~Person();
        cout << "~Student()" << endl;
    }
protected:
	int _num; //学号
};

 【总结】：

  1. 子类的构造函数必须调用父类的构造函数初始化父类的那一部分成员。如果父类没有默认的构造函数，则必须在子类构造函数的初始化列表阶段显示调用。
  2. 子类的拷贝构造函数必须调用父类的拷贝构造完成父类的拷贝初始化。
  3. 子类的operator=必须要调用父类的operator=完成父类的复制。
  4. 子类的析构函数会在被调用完成后自动调用父类的析构函数清理父类成员。因为这样才能保证子类对象先清理子类成员再清理父类成员的顺序。
  5. 子类对象初始化先调用父类构造再调子类构造。
  6. 子类对象析构清理先调用子类析构再调父类的析构。

继承与友元

        友元关系不能继承，也就是说父类友元不能访问子类私有和保护的成员。而且之前也说过友元也不能用的太多。

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); // 友元无法继承，想要访问子类中的保护就要把函数写成子类的友元
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);
}

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，这个没什么可说的，静态成员存放在静态区，不受继承的限制，所以只有一个static成员实例。

复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

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。

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 。

先讲一个小知识点：如何定义一个不能被继承的类？

前面也讲到了，子类再实例化对象的时候，先调用父类的构造函数，这就有一个思路，就是把父类的构造函树私有，就像一个类不想让它拷贝，就把它的拷贝构造私有，只声明不实现。

class A
{
private:
	A()
	{}
protected:
	int _a;
};

class B : public A
{

};

int main()
{
	B bb; // 这样编译就会报错
	return 0;
}

以上就是c++98的处理方式，在c++11有了新的方法，就是在父类的类名后加上final，明确规定A不能被继承。

class A final
{
    // ...
};

还有一个就是小问题就是多继承的指针偏移问题。

class B1
{ 
public: 
	int _b1;
};
class B2
{ 
public: 
	int _b2;
};
class D : public B1, public B2
{
public:
	int _d;
};
int main()
{
	D d;
	B1* p1 = &d;
	B2* p2 = &d;
	D* p3 = &d;
}

问p1，p2，p3的关系，之前的知识也说了切割会把父类的部分从子类中切割。

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。在下面A的对象中Person成员会有两份。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _id; // 工号
};
class A : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _m;
};

int main()
{
	// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个，所以会报错
	A 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 = "sss";
	a.Teacher::_name = "ttt";
}
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。 
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; // 工号
};
class A : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _m;
};

所以菱形虚拟继承可以解决二义性和数据冗余，但是还是很忌讳定义成菱形继承的，但是我们还是要来研究一下菱形继承的原理，我们先给出一个简单的模型。

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;
}

B和C继承A，D继承B和C，下面是不使用虚拟继承的。

使用菱形虚拟继承后。

原来存放_a的地方现在变成了一块地址，使用内存窗口看看里面存放的是什么。

这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，那么B和C如何去找到公共的A呢？这里是通过了B和C的两个指针，指向的一张表。这两个指针叫虚基表指针，这两个表叫虚基表。虚基表中存的偏移量。通过偏移量可以找到下面的A。

继承的总结

  1. 多继承就体现了C++语法的复杂，因为多继承会有菱形继承，菱形继承就会有菱形虚拟继承，所以一般还是不建议设计成菱形继承。
  2. 有的语言会觉得多继承很复杂，甚至是一个缺陷，例如java就没有多继承。
  3. 继承和组合
    1. 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，比如：这个学生是一个人。
    2. 组合是一种 has-a 的关系，比如：在一个类中的成员变量是另一个自定义类型。
    3. 如果有一种关系既适合用继承又适合用组合，那一定是优先用组合，比如：vector/list/deque - stack，栈是一个顺序表/链表/双端队列，栈中有顺序表/链表/双端队列。
    4. 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。
    5. 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。
    6. 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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