C++继承

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一、继承的概念和定义

继承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。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。

定义格式

二、访问控制与继承

  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就会发现，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protected/private继承，也不提倡使用protected/private继承，因为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

下面表格方便记忆 

类成员/继承方式 public继承 protested继承 private继承
基类的public成员 派生类的public成员 派生类的protested成员 派生类的private成员
基类的protected成员 派生类的protested成员 派生类的protested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

三、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 
  • 基类对象不能赋值给派生类对象
  • 基类的指针可以通过强置类型转换赋值给派生类的指针，但是必须是基类的指针是指向派生类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的dynamic_cast来进行识别后进行安全转换。

 

class Person
{
protected:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	int _num; // 学号
};
void main()
{
	Student sobj;

	// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	Person pobj = sobj;
	Person* pobj1 = &sobj;
	Person& pobj2 = sobj;

	//2.基类对象不能赋值给派生类对象
	sobj = pobj;

	// 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
	pobj1 = &sobj;
	Student* ps1 = (Student*)pobj1; // 这种情况转换是可以的。
	ps1->_num = 10;

	pobj1 = &pobj;
	Student* ps2 = (Student*)pobj1; // 这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问题
	ps2->_num = 10;
}

四、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::基类成员函数显示访问，也就是要指定作用域）

  3. 如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏

  4. 在实际中的继承体系里面最好不要定义同名的成员

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 main()
{
	B b;
	b.fun(10);
};

B中的fun和A中的fun不构成重载，因为是在不同作用域
但是，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。

五、派生类的默认成员函数

  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函数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. 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
  5. 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在清理基类成员的顺序，这样也是符合了栈的特性。
  6. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调用基类的析构。
  7. 编译器会对析构函数名进行特殊处理，都被统一处理为destructor()，所以基类析构函数在不加virtual的情况下，派生类的析构函数和基类的析构函数构成隐藏。

class Person
{
public:
	Person(const char* name)
		: _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;
	}

	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; //学号
};

void main()
{
	Student s1("张三", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("李四", 23);
	s1 = s3;
}

六、友元与继承

友元关系不能被继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员

class Student;
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;//可以访问
	cout << s._stuNum << endl;//不可以访问
}

void main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
}

七、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。无论有多少个子类都只有一个static成员实例

class Person
{
public:
	Person() { ++_count; }
	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
};

void main()
{
	Person p;
	Student s;

	cout << "父类:" << & p._name << endl;
	cout << "子类:" << & s._name << endl;

	cout << p._count << endl;
	cout << s._count << endl;

	cout << "父类:" << &p._count << endl;
	cout << "子类:" << &s._count << endl;
}

 对于静态成员访问的都是同一个，地址都是一样的。

八、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

多继承：一个子类有两个或两个以上直接父类时称这个继承关系为多继承

 

继承顺序：谁在前就先继承谁。例如Assistant先继承Student再继承Teacher 

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问题。在Assistant的对象中Person成员会用两份

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};

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

class Teacher : public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};

class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};

void main()
{
	Assistant a;
	//因为Student类里有一份_name，Teacher类里也有一份_name
    //这样就会有二义性无法确定你要访问的是哪一个
	a._name = "张三";

	//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 = "李四";
	a.Teacher::_name = "王五";
}

从上面的图不难看出_name被存了两份，并且两份的数据都不一样。

那么如何解决这个问题呢？——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问题，虚拟继承的关键字是：virtual。例如在上面的继承关系中，Student和Teacher继承Person时就可以使用虚拟继承。

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 main()
{
	Assistant a;
	a._name = "张三";
}

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

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;
}

 先来看一下没有使用虚拟继承的内存对象成员模型

从这里可以看出数据的冗余，B和C中各自存放了一份A。

使用了虚拟继承的内存对象成员模型

从上图不难看出D对象中将A放到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？

B和C中各自多出来了一个指针，那么这个指针指向的是什么？

这个数据有点像一个地址呢，如果是一个地址，那么这个地址里又存了什么东西呢？   

我们可以再开一个内存窗口观察一下。

上面的14和0c对应的是十进制的20和12，观察一下这两个数有什么特点——20正好是B到A的距离，12正好是C到A的距离。

结论：B和C的两个指针叫做虚基表指针，其指向的是一张表，这张表叫做虚基表，而A也叫做虚基类，虚基表中存的是B和C各自到A的偏移量（距离）。通过偏移量就可以找到下面的A了。

使用了虚拟继承不单是D的内存对象成员模型发生了改变，B和C的内存对象成员模型也发生了改变。B和C的内存对象模型也是和D的一样，也使用了虚基表指针和虚基表。

此时b的大小比原来多出来了一个指针的大小

虚拟继承内存对象成员模型图

为什么D中B和C部分要去找属于自己的A？那么大家看看当下面的赋值发生时，D是不是要去找出B和C成员中的A才能赋值过去？

B和C内存对象成员模型变得和D的一样的目的是：为了在进行赋值转换时模型是一致的。

九、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。例如人和学生，学生是一个人
  • 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。例如车和轮子，车有轮子
  • 优先使用对象组合，而不是继承
  • 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。对象组和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，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。优先使用随想组合有助于你保持每个类被封装。
  • 实际中欧冠尽量多去用组合。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。类之间的关系既可以用继承，也可以用组合，就用组合
// Person和Student构成is-a的关系
class Person {
public:
	Person() {}
protected:
	int _a;
};

class Student : public Person {
public:
	 Student() {}
};


// Tire和Car构成has-a的关系
class Tire {
protected:
	string _brand = "Michelin"; // 品牌
};
class Car {
protected:
	Tire _t; // 轮胎
};

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