【C++】继承

暴力的bug制造机2024-07-11 15:17

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🌈前言

本篇博客主要内容：面向对象三大特性之一------继承。

面向对象（OO）有三大特性：封装，继承 和多态 。今天我们介绍的就是其中之一------继承 。继承听上去很高级，而实际上它就是一种代码复用的手段，它帮助我们凝练代码，增加可读性，简少任务量。

🔥继承的概念及定义

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。

cpp 复制代码 
// 基类（父类）
class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}

protected:
	string _name = "Sam";// 姓名
	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。
//派生类（子类）
class Student :public Person
{
protected:
	int _stuid;// 学号
};

//派生类（子类）
class Teacher :public Person
{
protected:
	int _jobid;// 工号
};

int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.Print();
	t.Print();
	return 0;
}

运行main函数中代码，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。

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 。这是使用继承的一般语法。

我们之前学过访问限定符，是根据从外界访问对象成员的权限不同来区分的。而这里的继承，根据继承方式的不同，也分为三种 。


继承基类成员访问方式的变化图解：

表格已经放在这了，难道就是让人像乘法口诀表那样死记硬背吗，肯定不是的。需要细心观察其中的规律。

  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。（填了之前保护继承作用的坑）
  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。

🔥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。（ps：这个点我们后面再讲解）
cpp 复制代码 
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;
}

🔥继承中的作用域

继承中基类 和派生类 都有各自独立的作用域。

当子类和父类中有同名成员，子类成员会屏蔽父类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）

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A" << endl;
	}
};

class B :public A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "B" << endl;
	}
};

int main()
{
	B bb;
	bb.Print();// 隐藏，访问B的Print
	bb.A::Print();// 显示指定访问
	return 0;
}

注：如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。不过在实际中的继承体系里最好不用定义同名成员。

构成隐藏，bb直接调用找到的是B类中的Print，没有传参，报错。

🔥派生类的默认成员函数

六个默认成员函数，是指我们不写，编译器会自动生成的六个类型的成员函数。在派生类中，这几个成员函数的生成规则是怎样的呢？

对于构造函数和拷贝构造函数，需要先构造基类，后构造派生类；对于析构函数，需要先析构派生类，再析构基类。

同时，构造基类的过程需要显示调用时必须在初始化列表中完成，如不显示调用编译器自动调用基类的默认成员函数；析构基类过程编译器自动完成。

派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制，这个过程需要在函数体内实现。

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	Person(const char* name = "peter")
		: _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) // 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)
		{
			// 注意调用父类Person的operator=时要限定在Person域，
			// 防止因与派生类的operator=函数产生隐藏关系而导致循环调用。
			Person::operator =(s);
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号
}

🔥继承与友元

友元关系不能继承，也就是说基类的友元不能访问子类的私有和保护成员。

cpp 复制代码 
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;
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}

🔥继承与静态成员

基类定义了static静态成员，派生类可以继承使用，但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; }
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;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	return 0;
}

🔥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：一个子类有两个或连个以上直接父类时称这个继承关系为多继承。

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。

cpp 复制代码 
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
};
// 助教既有学生身份也有教师身份
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
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";// 报错
	 
	// 需要显示指定域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";
}

这时候就需要用到语法，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 Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};

// 腰部使用virtual继承
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 Test()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter";
}

通过上述虚拟继承的方式，从Person继承的成员变量在Assistant类型的对象中就只有一份了。

虚函数解决菱形继承数据冗余和二义性问题，在底层是通过虚基表和其中存储的偏移量来实现的，后期有机会专门开一篇来详细讲讲其中的原理。这里语法篇就不再详细展开。

🌈总结

说C++语法复杂，其实多继承就是一个很好的体现。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，更不要设计菱形继承。否则在代码复杂度以及性能上都会出现问题。

public继承是一种is-a的关系。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。

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。

本篇博客的内容到这里就结束了，感谢大家的支持♥

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