【C++深度探索】继承机制详解(二)

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1.继承与友元

基类的友元关系不能被子类继承,也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员

在C++的继承中,友元函数并不具有继承的特性。当一个类继承另一个类时,它只会继承基类的成员函数和数据成员,而不会继承基类中声明的友元函数。

例如:

class Student;//声明
//基类
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);//友元函数
protected:
	string _name; // 姓名
};
//子类
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;//可以访问基类的成员
	cout << s._stuNum << endl;//不可以访问子类的成员
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}

结果如下:

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因此,友元函数不能被继承。每个类都需要单独定义其自己的友元函数。

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。

静态成员是属于类而不是对象的成员。它们与类相关联,而不是与类的每个对象相关联。静态成员可以是静态变量和静态函数。

例如:

class Person
{
public:
	Person() { ++_count; }	//默认构造,每次创建对象自动调用
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 静态成员变量_count,统计人的个数
};

int Person::_count = 0;//初始化静态成员变量


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;
}

结果如下:

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可以看出类的静态成员与普通成员不同,它独立于各个对象,存放在静态存储区,即使基类有多个子类,静态成员也不会被拷贝多次,是它们公共使用的。

3.单继承与多继承

  • 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
    如下图所示:
    在这里插入图片描述

上图中,Student类只有一个直接父类Person,PostGraduate类也只有一个直接父类Student

  • 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
    如下图所示:
    在这里插入图片描述

上图中,Assistant类有两个直接父类Student类和Teacher类

4.菱形继承与虚拟继承

  • 菱形继承:菱形继承是多继承的一种特殊情况

菱形继承是指在C++中使用多重继承时,出现了多个派生类继承同一个基类,而最终有一个类同时继承了这些派生类,形成了一个菱形的继承结构。

例如:

//菱形继承
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
};

如下图所示:
在这里插入图片描述

Assistant类有两个直接父类Student类和Teacher类,而这两个类又都继承自Person类

当然不是所有的菱形继承都是一个标准的菱形结构,也可能是别的更复杂的结构,只要出现了多个派生类继承同一个基类,而最终有一个类同时继承了这些派生类,就形成了一个菱形的继承结构。

菱形继承带来的问题

菱形继承可以带来一些问题,主要是关于数据冗余和二义性。

  • 数据冗余
    上图中Student类和Teacher类继承自同一父类Person,有相同的数据成员,那么在Assistant类中就会有两份相同的数据成员,会引起数据冗余
    在这里插入图片描述

  • 二义性
    如果Student类和Teacher类都有相同的成员,那么当在Assistant类中调用这个成员时,会出现二义性。编译器不知道应该调用Student类中的成员还是Teacher类中的成员。
    例如:

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";
}

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5.虚拟继承

为了解决这些问题,C++提供了虚继承的机制。通过在中间派生类Student和Teacher的继承声明中加上关键字virtual,可以实现虚继承。虚继承可以解决菱形继承带来的二义性问题,确保在最终派生类Assistant中只有一份数据成员和函数。需要注意的是,虚拟继承不要在其他地方去使用。

例如:

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

//虚拟继承
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
//虚拟继承
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";
}

在这里插入图片描述

我们看到这时再通过对象a去访问_name成员不会出现二义性,并且当给_name赋值时,发现在监视中所继承的_name都改变,这说明Assistant类中只有一份数据成员和函数,不会出现数据冗余

关于菱形虚拟继承的原理解释涉及到虚拟基类表与偏移量,大家有兴趣可以查看资料,这里就不过多介绍。

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。

6.继承和组合

  • 组合是一种对象关系,一个类可以包含其他类的对象作为其成员变量。这种关系不是通过继承来实现,而是通过在一个类中创建另一个类的对象来实现。
  • 而继承是一种面向对象编程中的机制,允许一个类(称为派生类或子类)从另一个类(称为基类或父类)继承属性和行为。通过继承,子类可以继承父类的特征和功能,并且可以添加或修改自己的特性和功能。

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:

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

Student s;

上述代码中,Student对象s是一个Person类的对象;放在现实生活中就是学生是一个人

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。

class A {
//...
};

class B {
	A a;
	//...
};
  • 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。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
  • 对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。因为对象的内部细节是不可见的,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。

7.笔试面试题

  1. 什么是菱形继承?菱形继承的问题是什么?
    ①菱形继承是多继承的一种特殊情况。菱形继承是指在C++中使用多重继承时,出现了多个派生类继承同一个基类,而最终有一个类同时继承了这些派生类,形成了一个菱形的继承结构。
    ②数据冗余和二义性。

  2. 什么是菱形虚拟继承?如何解决数据冗余和二义性的?
    ①为了解决数据冗余和二义性问题,C++提供了虚继承的机制。通过在中间派生类的继承声明中加上关键字virtual,将共同继承的基类标记为虚拟继承。
    ②虚拟继承确保在最终派生类中只有一份数据成员和函数,解决了数据冗余与二义性问题。

  3. 继承和组合的区别?什么时候用继承?什么时候用组合?
    ①public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。
    ②选择继承还是组合取决于具体的需求和设计问题。一般来说,当两个类之间存在明确的层次关系,并且子类是父类的一种特例时,可以使用继承。但是,继承可能导致类之间的耦合度较高,代码结构较为复杂,因此需要慎重使用。而当两个类之间没有明确的层次关系,或者需要构建复杂对象时,可以使用组合。组合可以帮助代码实现更灵活的结构,并且可以随时替换或扩展不同的组件。另外要实现多态,也必须要继承。

8.结语

在C++中,继承支持单继承与多继承,对于多继承中又包含菱形继承,如果实现了菱形继承就必须实现虚拟继承来解决数据冗余与二义性的问题,所以在实践中我们要尽量减少使用菱形继承,此外对于继承与组合的区别也需要好好掌握一下,以上就是今天所有的内容啦~ 完结撒花~ 🥳🎉🎉

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