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【C++】继承
简介【C++】继承
继承
一、继承的概念及定义
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(基类或者又叫父类)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（子类）。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。
看下面一段代码来演示继承的表现，我们只需要注重结果就行，关于代码的具体语法我们后面讲解。
//父类（基类）
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
//子类（派生类）
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
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和复用了Person的成员。我们使用监视窗口查看Student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。
2、继承的定义格式
继承的语法很简单通常就是：
class 派生类 : 继承方式 基类
struct 派生类 : 继承方式 基类
注意：继承方式是可以省略的，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。
关于继承方式与访问限定符
3、继承基类成员访问方式的变化
总结：
- 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 == 最小值(成员在基类的访问限定符，继承方式)，这里的关系等级划分
public>protected>private。 - 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。
例如下面的private成员
//父类（基类）
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
private:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
//子类（派生类）
class Student : public Person
{
void SPrint()
{
cout << "_stuid " << _stuid << endl;
//报错无法访问 子类无法访问父类的private成员
cout << "_name " << _name << endl;
cout << "_age " << _age << endl;
}
protected:
int _stuid; // 学号
};
int main()
{
Student s;
//s.SPrint(); //无法使用
s.Print(); //依然可以打印父类的private成员，因为我们使用的是继承下来的public的函数，使用的是间接访问的方式
return 0;
}
运行这段代码我们就知道，在子类中确实继承了父类的private成员，但是子类无法显示使用，想要访问的话我们也只能通过父类提供的一些public或protected函数来进行间接访问
- 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。 - 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。
二、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。
利用此条性质，就可以实现这样的操作。
//父类（基类）
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _age = 18; // 年龄
};
//子类（派生类）
class Student : public Person
{
protected:
int _stuid; // 学号
};
int main()
{
Student s1;
//赋值
Person p1 = s1;
//指针
Person* pptr = &s1;
//引用
Person& rp = s1;
return 0;
}
打开监视窗口我们可以看到：
- 基类对象不能赋值给派生类对象。
三、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。
- 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。在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
看下面的代码，成员变量_num与成员函数func构成了隐藏。
//父类（基类）
class Person
{
public:
void func()
{
cout << "class Person func" << endl;
}
protected:
string _name = "peter"; // 姓名
int _num = 123;//身份证号
};
//子类（派生类）
class Student : public Person
{
public:
void Print()
{
//父类的_name
cout << "_name " << _name << endl;
//两者构成隐藏，不加访问限定符，默认访问的是本类的成员
cout << "_num " << _num << endl;
//加访问限定符，明确要访问的成员变量
cout << "_num " << Person::_num << endl;
}
//两个函数func构成隐藏，不是函数重载，函数重载的两个函数要求在同一作用域！！！
void func(int i = 0)
{
cout << "class Student func" << endl;
}
protected:
int _num = 111; //学号
};
int main()
{
Student s1;
s1.Print();
//不加访问限定符，默认访问的是本类的成员
s1.func();
//调用父类的func函数
s1.Person::func();
return 0;
}
运行结果：
四、派生类的默认成员函数
我们知道C++对于一个类，有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？下面我们来一起探讨一下。
- 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。
//基类 (父类)
class Person
{
public:
//构造函数，全缺省的默认构造
Person(const char* name = "peter", int age = 12)
:_name(name)
,_age(age)
{
cout << "Person()" << endl;
}
protected:
string _name;
int _age;
};
//派生类 (子类)
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int age, int stuid = 2000)
:Person(name, age) //对于父类的成员，要用父类的构造函数进行初始化
,_stuid(stuid)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(int stuid = 2000)
:_stuid(stuid) //对于父类的成员如果有默认的构造函数，此处不显示初始化，也会调用父类的默认构造
{
cout << "Student()" << endl;
}
protected:
int _stuid; //学号
};
int main()
{
Student s1(110);
Student s2("xia", 15, 123);
return 0;
}
从运行结果中我们也可以知道，子类对象想要创建需要先创建其父类对象
- 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。
//基类 (父类)
class Person
{
public:
//构造函数，全缺省的默认构造
Person(const char* name = "peter", int age = 12)
:_name(name)
,_age(age)
{
cout << "Person()" << endl;
}
//拷贝构造
Person(const Person& p)
:_name(p._name)
,_age(p._age)
{
cout << "Person(const Person& p)" << endl;
}
protected:
string _name;
int _age;
};
//派生类 (子类)
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int age, int stuid = 2000)
:Person(name, age) //对于父类的成员，要用父类的构造函数进行初始化
,_stuid(stuid)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(int stuid = 2000)
:_stuid(stuid) //对于父类的成员如果有默认的构造函数，此处不显示初始化，也会调用父类的默认构造
{
cout << "Student()" << endl;
}
//拷贝构造
Student(const Student& s)
:Person(s) //这里使用了基类与派生类的赋值转化，将子类赋值给父类。
,_stuid(s._stuid)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
protected:
int _stuid; //学号
};
int main()
{
Student s1(110);
Student s2(s1);
return 0;
}
一些特殊情况：
-
子类中的拷贝构造如果不写，默认生成的拷贝构造会对父类对象调用拷贝构造，对自己的的自定义类型调用它的默认构造，对内置类型完成值拷贝。
-
如果子类中写了拷贝构造，但是没有显示调用父类的拷贝构造，则会在初始化列表中调用父类的构造函数去初始化父类对象。
//拷贝构造
Student(const Student& s)
:_stuid(s._stuid)
//,Person(s)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
- 派生类的
operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
//基类 (父类)
class Person
{
public:
//构造函数，全缺省的默认构造
Person(const char* name = "peter", int age = 12)
:_name(name)
,_age(age)
{
cout << "Person()" << endl;
}
//拷贝构造
......
//赋值重载
Person& operator=(const Person& p)
{
if (this != &p)
{
_name = p._name;
_age = p._age;
}
cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
return *this;
}
protected:
string _name;
int _age;
};
//派生类 (子类)
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int age, int stuid = 2000)
:Person(name, age) //对于父类的成员，要用父类的构造函数进行初始化
,_stuid(stuid)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(int stuid = 2000)
:_stuid(stuid) //对于父类的成员如果有默认的构造函数，此处不显示初始化，也会调用父类的默认构造
{
cout << "Student()" << endl;
}
//拷贝构造
......
//赋值重载
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
//这里必须显示调用operator=(),父类与子类的operator=()构成隐藏。
Person::operator=(s);//这里使用了基类与派生类的赋值转化，将子类赋值给父类。
_stuid = s._stuid;
}
cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;
return *this;
}
protected:
int _stuid; //学号
};
int main()
{
Student s1(110);
Student s2(s1);
return 0;
}
-
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。
//基类 (父类)
class Person
{
public:
//构造函数，全缺省的默认构造
Person(const char* name = "peter", int age = 12)
:_name(name)
,_age(age)
{
cout << "Person()" << endl;
}
//拷贝构造
......
//赋值重载
......
//析构函数
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
protected:
string _name;
int _age;
};
//派生类 (子类)
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int age, int stuid = 2000)
:Person(name, age) //对于父类的成员，要用父类的构造函数进行初始化
,_stuid(stuid)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(int stuid = 2000)
:_stuid(stuid) //对于父类的成员如果有默认的构造函数，此处不显示初始化，也会调用父类的默认构造
{
cout << "Student()" << endl;
}
//拷贝构造
......
//赋值重载
......
//析构函数
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
protected:
int _stuid; //学号
};
int main()
{
Student s1(110);
return 0;
}
五、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;
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)
{
//报错 成员 "Person::_name" " s._stuNum"不可访问
cout << p._name << endl;
cout << s._stuNum << endl;
}
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
六、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:
//每次创建一个Person对象，都会对_count++一次。
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;
Graduate s3;
cout << &(s1._name) << endl;
cout << &(s3._name) << endl;
cout<< &(s1._count) << endl;
cout << &(s3._count) << endl;
}
七、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
1、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
class Person
{
public:
string _name;//姓名
int _age = 22;
};
class Student : public Person
{
protected:
int _num = 01;//学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _id = 10;//职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse = "Computer science";//主修课程
};
int main()
{
Assistant a1;
//"Assistant::_name" 不明确, 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
//a1._name = "peter";
//二义性问题解决了，但是数据冗余问题无法解决，这里有两个_name，还有两个_age,我们只想要一个就没有办法解决了
a1.Student::_name = "peter";
a1.Teacher::_name = "Mr peter";
}
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。
菱形继承的解决办法: 虚拟继承（关键字virtual）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
int _age = 22;
};
class Student : virtual public Person
{
protected:
int _num = 01;//学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
int _id = 10;//职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse = "Computer science";//主修课程
};
void test4()
{
Assistant a1;
// 虚继承以后这样就不会有二义性问题了！
//a1._name = "peter";
a1.Student::_name = "peter";
a1.Teacher::_name = "Mr peter";
}
2、虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
为了研究虚拟继承原理，我们给出了一个简化的菱形继承继承体系，再借助内存窗口(内存窗口是不加修饰的，我们能够看到数据的真实情况)观察对象成员的模型。
我们先来看非虚拟继承下的情况：
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::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
可以看到有数据冗余。
下面我们再来看看虚拟继承下，数据在内存中的存储：
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::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
可以看出虚拟继承中D对象中将A放到的了对象组成的最下面，并没有将A放在对象B或对象C中，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。 这样不论是B修改A,还是C修改A，修改的都是同一个A。
八、继承的总结和反思
- 继承一般情况下只使用单继承，就算使用多继承也不要设计出菱形继承，其底层实现就很复杂，而且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OO语言都没有多继承，如Java。
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。
class A
{
};
//继承
class B : public A
{
};
//组合
class C
{
private:
A _a;
};
- 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。
风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。
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