庖丁解牛---C++继承

文章目录

一、继承
二、子类中的默认成员函数
三、继承与友元
四、继承和静态成员
五、单继承，多继承与菱形继承
六、继承总结

一、继承

1.继承的概念

继承的本质就是复用

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，以增加功能。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，而继承是类设计层次的复用。

比如我们这里写一个角色类

cpp 复制代码

class Student {
public:
	string _name;
	string _address;
	int _age;

	int _stuid;//学号
};

class Teacher {
public:
	string _name;
	string _address;
	int _age;

	int _teaid;//工号
};

这里我们可以发现又很多冗余部分，但也有些是角色独有的，比如学号，工号，我们这里要把重复部分"提取"出来，创建一个新Person类来进行复用

cpp 复制代码

class Person {//基类/父类
public:
	string _name;
	string _address;
	int _age;
};

class Student {//派生类/子类
public:
	int _stuid;//学号
};

class Teacher {//同Student
public:
	int _teaid;//工号
};

将共有部分放在Person类中后，我们此时就要利用继承去使每个角色均可调用到Person类中内容

cpp 复制代码

class Person {
public:
	string _name;
	string _address;
	int _age;
};
//此时Student类公有继承了Person类
class Student : public Person{
public:
	int _stuid;//学号
};
//此时Teacher类公有继承了Person类
class Teacher : public Person{
public:
	int _teaid;//工号
};

这里的 : public Person 就是为了让Student和Teacher以公有的方式继承Person。
那我们此时可以对该继承进行验证，观察是否继承成功了

cpp 复制代码

class Person {
public:
	void print() {
		cout << "Person - print()" << endl;
	}

	string _name;
	string _address;
	int _age;
};

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

class Teacher : public Person{
public:
	int _teaid;//工号
};

int main()
{
	Person p;
	p.print();

	Student s;
	s.print();

	Teacher t;
	t.print();

	return 0;
}

打印结果为：

amazing！此时我们的Student和Teacher类对象均调到了Person的print函数

2.继承的基本格式

cpp 复制代码

//    派生类             基类
class Student : public Person{
	int _stuid;//学号
};

上面的Student叫做派生类，也叫子类，Person叫做基类，也叫父类，而中间的public则是继承方式
关于继承方式，我们之前学过类内这些访问限定符作用：
public：类外可以直接访问
protected / private：类外不可以直接访问

由上图可知，它们三除了访问限定符作用，还能区分开继承方式
public和private和访问限定符区别作用不大，而protected则是在类外不可访问，但是子类可以进行访问父类

那要是三种继承方式和三种访问限定符两两组合，下面也就直接出现了9种情况

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。

3.父子类对象赋值转换

cpp 复制代码

class Person {
public:
	void print() {
		cout << "Person - print()" << endl;
	}

	string _name = "张三";
	string _address = "大王村";
	int _age = 20;
};

class Student : public Person{
public:
	int _stuid = 1234567;//学号
};

int main()
{
	Student s;
	Person p = s;//注意：这里必须是public继承
	Person& rp = s;
	return 0;
}

我们来看下监视窗口下的p和rp

子类对象可以赋值给父类对象，引用，指针
这种操作我们称为切割，就是将子类对象中父类部分切过来赋值过去

但是，这里有两点要注意
1.基类对象不可以赋值给派生类对象

2.基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针

为什么呢？因为指针虽然各种类类型不能随意强转，但是指针是完全可以做到的，它指向的都是一个地址

cpp 复制代码

class Person {
public:
	void print() {
		cout << "Person - print()" << endl;
	}

	string _name = "张三";
	string _address = "大王村";
	int _age = 20;
};

class Student : public Person{
public:
	int _stuid = 1234567;//学号
};

int main()
{
	Student s;
	Person p;
	Person* ptr = &s;
	Student* str = (Student*)ptr;
	str->_stuid = 2134567;
	return 0;
}

我们再来看一下_stuid是否被改变

4.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。

cpp 复制代码

class Person {
public:

	string _name = "张三";
	string _address = "大王村";
	int _age = 20;
};

class Student : public Person{
public:
	void print() {
		cout << "Person::_age: " << Person::_age << endl;
		cout << "Student::_age: " << _age << endl;
	}
	int _stuid = 1234567;//学号
	int _age = 21;
};

int main()
{
	Student s;
	s.print();
	return 0;
}

所以加了域作用限定符后才会去访问Person的_age，默认同名成员均访问子类同名成员
同样的，同名函数也是如此

cpp 复制代码

class Person {
public:
	void print() {
		cout << "Person-print()" << endl;
	}
};

class Student : public Person{
public:
	void print(int i) {
		Person::print();
		cout << "Student-print()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Student s;
	s.print(1);
	return 0;
}

二、子类中的默认成员函数

1.构造函数及对象初始化

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.== 派生类对象初始化==先调用基类构造再调派生类构造。

cpp 复制代码

class Person {
public:
	Person(const int age = 21)
		:_age(age)
	{
		cout << "Person():"<<_age << endl;
	}
protected:
	int _age;
};

class Student : public Person {
public:
	Student(const int age, int stuid = 1234567)
		:Person(age)
		, _stuid(stuid)
	{
		cout << "Student():"<<_age<<" " << _stuid << endl;
	}
protected:
	int _stuid;
};

int main()
{
	Student s1(19, 2134567);
	Student s2(17);
	return 0;
}

2.拷贝构造函数

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。

cpp 复制代码

class Person {
public:
	Person(const int age = 21)
		:_age(age)
	{
		cout << "Person():"<<_age << endl;
	}
	Person(const Person& p)
		:_age(p._age)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}
protected:
	int _age;
};

class Student : public Person {
public:
	Student(const int age, int stuid = 1234567)
		:Person(age)
		, _stuid(stuid)
	{
		cout << "Student():"<<_age<<" " << _stuid << endl;
	}
	Student(const Student& s)
		: Person(s)
		, _stuid(s._stuid)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
protected:
	int _stuid;
};

int main()
{
	Student s1(19, 2134567);
	/*Student s2(17);*/
	Student s3(s1);
	return 0;
}

3.赋值运算符重载

派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。

cpp 复制代码

class Person {
public:
	Person(const int age = 21)
		:_age(age)
	{
		cout << "Person():"<<_age << endl;
	}
	Person(const Person& p)
		:_age(p._age)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_age = p._age;

		return *this;

	}
protected:
	int _age;
};

class Student : public Person {
public:
	Student(const int age, int stuid = 1234567)
		:Person(age)
		, _stuid(stuid)
	{
		cout << "Student():"<<_age<<" " << _stuid << endl;
	}
	Student(const Student& s)
		: Person(s)
		, _stuid(s._stuid)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator=(const Student& p)" << endl;
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s);
			_stuid = s._stuid;
		}
		return *this;
	}
protected:
	int _stuid;
};

int main()
{
	Student s1(19, 2134567);
	Student s2(s1);
	Student s3(17);
	s3 = s1;

	return 0;
}

通过监视窗口，我们可以看见s3也被赋值了s1的值

4.析构函数

1. 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。
2. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
3. 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(这个我们后面会讲
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。

Person类析构

cpp 复制代码

 ~Person()
 {
 cout<<"~Person()" <<endl;
 }

Student类析构

cpp 复制代码

 ~Student()
 {
 cout<<"~Student()" <<endl;
 }

这里我们也就可以知道析构为先子后父

三、继承与友元

友元关系不能被继承，也就是说基类友元不可以访问子类私有和保护成员

爸爸的朋友不一定是我的朋友

四、继承和静态成员

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。

cpp 复制代码

class Person {
public:
	Person() {
		++_count;
	}
	static int _count;
};
int Person::_count = 0;

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

int main()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Student s4;
	Person p1;
	cout << "Person::_count:" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << "Person::_count:" << Person::_count << endl;
	return 0;
}

运行结果：

五、单继承，多继承与菱形继承

1.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

2.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

3.菱形继承

多继承的一种特殊情况

这里我们可以明显看出，菱形继承有数据冗余和二义性的问题，Assistant类可能会有两份Person成员。
下面我们举个例子看看：

cpp 复制代码

class A {
public:
	int _num;
};

class B :public A {
protected:
	int _num1;
};

class C :public A {
protected:
	int num2;
};

class D :public B, public C {
protected:
	int num3;
};

int main()
{
	D d;
	d._num = 1;
	return 0;
}

这样会因为二义性而不知道访问的哪一个，这时我们可以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

cpp 复制代码

	D d;
	d.B::_num = 1;
	d.C::_num = 2;

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。

cpp 复制代码

class A {
public:
	int _a;
};

class B :virtual public A {
protected:
	int _b;
};

class C :virtual public A {
protected:
	int _c;
};

class D :public B, public C {
protected:
	int _d;
};

int main()
{
	D d;
	d._a = 1;
	return 0;
}

那么虚拟继承为什么可以解决冗余与二义性呢？，下面我们将通过内存窗口来一探究竟

4.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

cpp 复制代码

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。

六、继承总结

1. 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。
2. 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。
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。
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 优先使用对象组合，而不是类继承。
③ 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
④ 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。
⑥ 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。