系列文章目录
1.初识C++
2.类和对象上
3.类和对象(中)上
4.类和对象(中)下
5.类和对象下
文章目录
前言
在类和对象(上)中我们提到了类的第一个特性:封装。
封装:将数据和操作数据的方法进行有机结合,隐藏对象的属性和实现细节,仅对外公开接口来和对象进行交互。
在本章内容里我们将要介绍类和对象中的第二个特性:继承。
一、继承的概念和定义
想骑手、商家、用户这样的对象都有共同属性:
许多成员都是重复的,那么是否有一种方法可以使得重复的代码和为一块呢?答案就是类的继承。
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。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//父类
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name: " << name << endl;
cout << "age: " << _age << endl;
}
private:
string name = "person"; //名字
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 _sutid; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
int _jobid; //工号
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}
实例化的对象中s
中的name
和p
中的name
不是同一个,可以理解为Student
继承Person
是将Person
进行了拷贝。
int main()
{
Person p;
Student s;
s.name = "student";
return 0;
}
将Person
类中的私有private
注释掉进行调试观察:
s
中继承的name
和p
中的name
不是同一个name
。即可以将继承
理解为在子类
中拷贝了一份父类
。
但是函数是同一个函数。因为函数是公共段,不储存在对象。成员变量是不同的,但是成员函数是一样的。
下图是调用Print
时的汇编代码:
但是子类和父类的构造函数不是同一个。Person
中的构造是Person()
.而Student
中的是Student()
.
子类继承了父类的构造函数。
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
基类的私有成员在派生类中是不可见的,无论继承方式是什么。
//父类
class Person
{
protected:
string name = "person"; //名字
int _age = 18; //年龄
private:
int _tel;
};
class Student : public Person
{
public:
void func() {
//子类不可访问父类的私有成员
cout << _tel << endl;
}
};
但是基类中的不可访问成员,存在派生类中:
虽然不能直接访问,但是可以通过父类的函数间接访问私有成员。
int main()
{
Person p;
p.Print();
Student s;
s.Print();
return 0;
}
结果:
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。(
protected
的成员子类能够直接访问
,非子类不能
) - 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。
class Person{};
struct Person{};
//无论Person 是否为struct或classs:
//当Student 为class时,默认时私有继承。
//当Student 为struct时,默认为公有继承。
class Student : Person //私有继承
{};
struct Student : Person // 公有继承
{};
- 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。
protected
和 private
的区别在于protected
成员子类能够直接访问,private
成员子类不能直接访问.
可以通过下面代码来演示 :
// 实例演示三种继承关系下基类成员的各类型成员访问关系的变化
class Person
{
public:
void Print()
{
cout<<_name <<endl;
}
protected:
string _name; // 姓名
private:
int _age; // 年龄
};
//class Student : protected Person //派生类中可以访问protected成员,Student实例化的对象不可访问
//class Student : private Person //派生类中不可访问,实例化的成员也不可访问
class Student : public Person
{
protected:
int _stunum; // 学号
};
同理公有继承则可以访问公有成员,父类中的protected、private成员保持不变。
私有继承则子类中都访问不了。按照第三点规定。
1.3 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(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。
这里和类型转换不同:
//截断
int i = 0x11223344;
printf("%#x\n", i);
char c = i;
printf("%#x\n", c);
i = c;
printf("%#x\n", i);
int
是4
个字节,char
是1
个字节。截断保留i
的第一个字节赋值给c
。
c
保留就是0x44.
const char& ch = i;
上面代码涉及隐式类型转换.
临时变量的产生,具有常量性质。所以要加const
。
而切片不一样,是一个单独的规则。不是类型转换,中间不会产生临时变量,(只限于在公有继承)
子类里面有一个父类,所以子类的父类给给父类时,是将子类中的父类赋值了。
class Person
{
protected:
string _name; // 姓名
string _sex; // 性别
int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
int _No; // 学号
};
void Test()
{
Student sobj;
// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
Person pobj = sobj;
Person* pp = &sobj;
Person& rp = 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
pp = &sobj;
Student * ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的。
ps1->_No = 10;
pp = &pobj;
Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以,但是会存在越界访问的问题
ps2->_No = 10;
}
将Person中的成员变量变为公有时:
Person p;
Student s;
p = s;
Person* ptr = &s;
Person& ref = s;
ptr->name += 'x';
ref.name += 'y';
会发现,s中的name也发生改变:
中间没有临时变量的产生。
二、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。
- 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:
string _name = "小李子"; // 姓名
int _num = 111; // 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 = 999; // 学号
};
void Test()
{
Student s1;
s1.Print();
};
int main()
{
Test();
return 0;
}
// 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)
{
A::fun();
cout << "func(int i)->" << i << endl;
}
};
//子类和父类中的fun()的关系是隐藏
void Test()
{
B b;
b.fun(10);
//编译报错,找不到fun()。因为没有指定类域
//b.fun(); //没有传参
//正确形式:
b.A::fun();
};
int main()
{
Test();
return 0;
}
截至目前我们知道的作用域有:局部域
、全局域
、命名空间域
、类域
。
只有 局部域
和 全局域
影响生命周期。
他们都有影响查找规则。查找规则: 先到局部域
找,再到全局域
找,默认不会到命名空间
里找,命名空间内的需要使用 ::
来指定。类域
中的也需要::
来指定。
使用类
中的成员函数,首先会在子类中找,如果子类中找不到则会再去父类中找。
如果子类
和父类
有同名成员变量
或同名函数
,要使用父类的成员需要 基类::基类函数
三、派生类的默认成员函数
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?
在没有继承时,我们需要考虑的事情只有类中的 内置成员
和 自定义类型成员
.
内置类型不做处理,自定义类型调用它的默认构造。
而继承之后,我们要多考虑基类中的成员
,要把父类当作一个整体.
- 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。
下面给出一段错误示范:
class Person
{
public:
protected:
string name = "peter";
int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
public:
Student(const char* name, int x, const char* address)
:_name(name)
,_x(x)
,_address(address)
{}
protected:
int _x = 0;
string _address = "beijing";
};
c++规定,不能使用直接俄初始化父类的成员,子类会自动调用父类的构造函数进行初始化父类成员。因为初始化父类的成员应该交给父类来做。
正确的初始化父类:
class Person
{
public:
Person(const char* name = "peter") //默认构造
: _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 = "peter", int num = 0) //默认构造
: Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
: Person(s) 赋值兼容转换,将s中的Person部分拷贝给当前对象(切片)
, _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); //调用父类的赋值操作。要指定类域,否则回和父类的构成隐藏,导致无穷递归
_num = s._num;
}
return *this;
}
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
protected:
int _num; //学号
};
void Test()
{
Student s1("jack", 18);
Student s2(s1);
Student s3("rose", 17);
s1 = s3;
Student s4;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
运行结果:
时刻将父类当作应该整体,子类实例化之后,对象中有一份父类的拷贝。
能否在子类中的析构函数中显示的调用父类的析构呢?
~Student()
{
~Person();
cout << "~Student()" << endl;
}
由于多态的原因,析构函数的名字会被统一处理成destructor()
。
都被处理成destructor()
之后,子类和父类中的destructor()
会构成隐藏。
所以要指定作用域 Person::~Person()
。
但是结果:
在我们写构造的时候,都显式调用了父类的构造函数。
1.析构函数为什么不能显示调用呢?
因为编译器会自动调用析构函数,所以我们显示调用析构函数反而不正确。析构函数顺序必须先子后父。因为子类析构是可能用到父类成员的,如果父类先析构,子类访问父类是就是非法的。
2.那为什么显示调用父类构造反而是对的?
子类初始化时,父类必须先初始化,因为子类在初始化时是有可能使用到父类的成员的。
所以初始化列表最先初始化父类成员。
初始化列表的初始化顺序是按照声明顺序来初始化的。在继承了父类之后,父类成员总是首先声明的:
初始化的顺序就保证了先父后子!!,所以我们可以在子类初始化列表中显示调用,顺序不会改变。
而析构函数,无法保证先父后子,所以我们显示调用就是错误的,编译器自动调用即可。
四、继承与友元、静态成员
4.1 继承和友元
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)
{
cout << p._name << endl;
cout << s._stuNum << endl;//不可访问友元不能被继承
}
void main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
}
要继承,就只有在子类中声明友元。
class Student : public Person
{
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
int _stuNum; // 学号
};
反过来也是一样,子类中的友元,父类不能使用。
4.2 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 。
//继承和静态成员
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
};
void TestPerson()
{
Student s1;
Student s2;
Student s3;
Graduate s4;
cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
Student::_count = 0;
cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}
静态成员不存储在类中,它存在静态区。它存在整个继承体系。
int main()
{
Person p;
Student s;
cout << &p._count << endl;
cout << &s._count << endl;
cout << &Student::_count << endl;
cout << &Graduate::_count << endl;
}
通过结果可以看出他们是同一个。
五、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
5.1 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
5.2 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
5.3 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。
#include <iostream>
using namespace std;
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
};
//多继承,菱形继承
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
Assistant a;
//由于a中有俩分Person,下面会产生二义性,不知道使用哪个Person的_name。
a._name = "李四"; //报错
//需要指定访问哪个Person的_name,使用域解析符,但是数据冗余问题无法解决。
a.Student::_name = "小李";
a.Teacher::_name = "李老师";
return 0;
}
不同的Person
对象
如何解决数据冗余?
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,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。
//单继承
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
};
//多继承
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "李四";
a.Student::_name = "小李";
a.Teacher::_name = "李老师";
return 0;
}
通过调试发现,此时Assitant
对象中,只有一份相同的Person
。
菱形继承不单单只普通的菱形。例如下图也算是菱形继承:
在B、C中使用虚拟继承。
在实践当中,尽量不要用菱形继承。我们的io流实际上就用的菱形继承:
iostream
中如果不用虚继承就会有俩份ios
,所以源码中使用的是虚继承。
5.4 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,再借助内存窗口观察对象成员的模型。
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;
}
下图是未使用虚继承菱形继承的内存对象成员模型:这里可以看到数据冗余:
下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型: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。
// 有童鞋会有疑问为什么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/C成员中的A才能赋值过去?
D d;
B b = d;
C c = d;
- 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OO语言都没有多继承,如Java。
六、组合和继承
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。
组合就是一个类中有父属性的一个自定义成员,可以访问自定义成员中的公有成员。
继承则是继承了父类的属性,子类可以通过继承方式或访问限定符来获取父类的成员。
- 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。
- 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。
// 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
};
类似,在容器stack和queue使用的就是组合。
面试笔试题:
- 什么是菱形继承?菱形继承的问题是什么?
- 菱形继承指的是在类的继承关系中,出现了一个类通过多条路径间接继承同一个类的情况,从而形成了菱形的结构。
- 菱形继承的问题主要包括数据冗余和二义性。数据冗余是指多个派生类中可能会重复存储相同的基类数据成员;二义性则是指在访问继承自公共基类的成员时,可能会产生不确定性和模糊性,导致编译器无法明确应该选择哪条继承路径来获取成员
- 什么是菱形虚拟继承?如何解决数据冗余和二义性的
- 菱形虚拟继承是为了解决菱形继承中的数据冗余和二义性问题而采用的一种继承方式。在菱形虚拟继承中,公共基类被声明为虚拟基类,派生类对象在内存中的布局发生了变化,只保留了一份公共基类的实例,从而避免了数据冗余。通过这种方式,也消除了访问公共基类成员时的二义性。
- 继承和组合的区别?什么时候用继承?什么时候用组合?
- 继承和组合的区别在于:
- 继承表示“是一种”的关系,子类是父类的一种特殊类型,子类可以直接访问父类的公有和保护成员。
- 组合表示“有一个”的关系,一个类中包含另一个类的对象作为成员。
- 在以下情况下使用继承:
- 当子类需要扩展或修改父类的行为,并且子类确实是父类的一种特殊形式时。
- 当需要实现代码复用,且子类与父类在概念上具有紧密的联系时。
- 在以下情况下使用组合:
- 当两个类之间的关系是“部分 - 整体”关系,而不是“是一种”关系时。
- 当希望减少类之间的强耦合,增加代码的灵活性和可维护性时。
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