C++——模板进阶、继承

文章目录

一、模板
- [1. 非类型模板参数](#1. 非类型模板参数)
- [2. 模板的特化](#2. 模板的特化)
- - 函数模板特化
  - 类模板特化
  - - [1. 全特化](#1. 全特化)
    - [2. 偏特化](#2. 偏特化)
    - - 部分特化
      - 参数更进一步的限制
二、继承
- [1. 概念](#1. 概念)
- [2. 定义](#2. 定义)
- - 定义格式
- [3. 继承基类成员访问⽅式的变化](#3. 继承基类成员访问⽅式的变化)
- [4. 继承类模板](#4. 继承类模板)
- 5.基类和派⽣类间的转换
- [6. 继承中的作⽤域](#6. 继承中的作⽤域)
- - 隐藏规则：
- [7. 派⽣类的默认成员函数](#7. 派⽣类的默认成员函数)
- - 默认成员函数
  - 实现⼀个不能被继承的类
- [8. 继承与友元](#8. 继承与友元)
- [9. 继承与静态成员](#9. 继承与静态成员)
- [10. 多继承及其菱形继承问题](#10. 多继承及其菱形继承问题)
- - 继承模型
- [11. 虚继承](#11. 虚继承)
- [12. 继承和组合](#12. 继承和组合)

一、模板

1. 非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。

类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

非类型形参，就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用。

cpp 复制代码

namespace mihayou
{
	// 定义一个模板类型的静态数组
	template<class T, size_t N = 10>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }
		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }
	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

注意：

浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果

2. 模板的特化

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理。

比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板。

cpp 复制代码

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		:_year(year)
	{}
	bool operator<(Date& d)
	{
		return _year < d._year;
	}
private:
	int _year = 0;
};
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}

可以看到，Less绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就需要对模板进行特化。
即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。

模板特化中分为函数模板特化与类模板特化

函数模板特化

函数模板的特化步骤：

必须要先有一个基础的函数模板
关键字template后面接一对空的尖括号<>
函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误

cpp 复制代码

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl;
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
	return 0;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

cpp 复制代码

bool Less(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

类模板特化

1. 全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

cpp 复制代码

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
}

2. 偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

比如对于以下模板类:

cpp 复制代码

template<class T1, class T2>
class Data
{
	public:
	Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
	private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

偏特化有以下两种表现方式：

部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化。

cpp 复制代码

// 将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
	public:
	Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
	private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

参数更进一步的限制

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

cpp 复制代码

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)
		: _d1(d1)
		, _d2(d2)
	{
		cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
	}
private:
	const T1& _d1;
	const T2& _d2;
};
void test2()
{
	Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
	Data<int, double> d2; // 调用基础的模板
	Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

二、继承

1. 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，它允许我们在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加方法(成员函数)和属性(成员变量)，这样产生新的类，称子类。

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。以前我们接触的函数层次的复用，继承是类设计层次的复用。

下面我们看到没有继承之前我们设计了两个类Student和Teacher，Student和Teacher都有姓名/地址/电话/年龄等成员变量，都有identity身份认证的成员函数，设计到两个类里面就是冗余的。当然他们也有⼀些不同的成员变量和函数，比如老师独有成员变量是职称，学生的独有成员变量是学号；学生的独有成员函数是学习，老师的独有成员函数是授课。

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Student
{
public:
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		// ...
	}
	// 学习
	void study()
	{
		// ...
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	int _age = 18; // 年龄
	int _stuid; // 学号
};
class Teacher
{
public:
	
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		// ...
	}
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
	int _age = 18; // 年龄
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	string _title; // 职称
};
int main()
{
	return 0;
}

下⾯我们公共的成员都放到Person类中，Student和teacher都继承Person，就可以复⽤这些成员，就不需要重复定义了，省去了很多⿇烦。

cpp 复制代码

class Person
{
public:
	// 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证
	void identity()
	{
		cout << "void identity()" << _name << endl;
	}
protected:
	string _name = "张三"; // 姓名
	string _address; // 地址
	string _tel; // 电话
	int _age = 18; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	// 学习
	void study()
	{
		// ...
		}
		protected:
		int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
public:
	// 授课
	void teaching()
	{
		//...
	}
protected:
	string title; // 职称
};
int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.identity();
	t.identity();
	return 0;
}

2. 定义

定义格式

下⾯我们看到Person是基类，也称作⽗类。Student是派⽣类，也称作⼦类。(因为翻译的原因，所以既叫基类/派⽣类，也叫⽗类/⼦类)。

3. 继承基类成员访问⽅式的变化

父类private成员在子类中无论以什么方式继承都是不可见的。这里的不可见是指父类的私有成员还是被继承到了子类对象中，但是语法上限制子类对象不管在里面还是类外面都不能去访问它。
父类private成员在子类中是不能被访问，如果父类成员不想在类外直接被访问，但需要在子类中能访问，就定义为protected。可以看出保护成员限定符是因继承才出现的。
实际上面的表格我们进行⼀下总结会发现，父类的私有成员在子类都是不可见。父类的其他成员在子类的访问方式 == Min(成员在父类的访问限定符，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。
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子类的类里面使用，实际中扩展维护性不强。

cpp 复制代码

// 实例演示三种继承关系下父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
//class Student : private Person
class Student : public Person
{
protected:
	int _stunum; // 学号
};

4. 继承类模板

基类是类模板时，需要指定⼀下类域,才能使用基类的成员函数

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

namespace mihayou
{
	//template<class T>
	//class vector
	//{};
	// stack和vector的关系，既符合is-a，也符合has-a
	template<class T>
	class stack : public std::vector<T>
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			// 基类是类模板时，需要指定⼀下类域，
			// 否则编译报错:error C3861: "push_back": 找不到标识符
			// 因为stack<int>实例化时，也实例化vector<int>了
			// 但是模版是按需实例化，push_back等成员函数未实例化，所以找不到
			vector<T>::push_back(x);
			//push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			vector<T>::pop_back();
		}
		const T& top()
		{
			return vector<T>::back();
		}
		bool empty()
		{
			return vector<T>::empty();
		}
	};
}

int main()
{
	mihayou::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	} 
	return 0;
}

5.基类和派⽣类间的转换

public继承的派⽣类对象可以赋值给基类的指针 / 基类的引⽤。

这⾥有个形象的说法叫切⽚或者切割。寓意把派⽣类中基类那部分切出来，基类指针或引⽤指向的是派⽣类中切出来的基类那部分。

• 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(Run-Time Type Information)的dynamic_cast来进⾏识别后进⾏安全转换。

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
};
int main()
{
	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.父类对象不能赋值给子类对象，这⾥会编译报错
	sobj = pobj;
	return 0;
}

6. 继承中的作⽤域

隐藏规则：

在继承体系中基类和派⽣类都有独⽴的作⽤域。
派⽣类和基类中有同名成员，派⽣类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问，这种情况叫隐藏。（在派⽣类成员函数中，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。

cpp 复制代码

// 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
};
int main()
{
	Student s1;
	s1.Print();
	return 0;
}

7. 派⽣类的默认成员函数

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？

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。
派⽣类的拷⻉构造函数必须调⽤基类的拷⻉构造完成基类的拷⻉初始化。
派⽣类的operator=必须要调⽤基类的operator=完成基类的复制。需要注意的是派⽣类的operator=隐藏了基类的operator=，所以显⽰调⽤基类的operator=，需要指定基类作⽤域。
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。
因为多态中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。那么编译器会对析构函数名进⾏特殊处理，处理成destructor()，所以基类析构函数不加virtual的情况下，派⽣类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。

总的来说，默认生成的构造函数的行为(拷贝构造，赋值重载，析构类似）

内置类型->不确定
自定义类型->调用默认构造
继承父类成员看做一个整体对象->要求调用父类的默认构造

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)
		, _num(s._num)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}
	Student & operator = (const Student & s)
	{
		cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
		if (this != &s)
		{
			// 构成隐藏，所以需要显⽰调用
			Person::operator =(s);
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号
};
int main()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
	s1 = s3;
	return 0;
}

实现⼀个不能被继承的类

⽅法1：基类的构造函数私有，派⽣类的构成必须调⽤基类的构造函数，但是基类的构成函数私有化以后，派⽣类看不⻅就不能调⽤了，那么派⽣类就⽆法实例化出对象。

⽅法2：C++11新增了⼀个final关键字，final修改基类，派⽣类就不能继承了。

cpp 复制代码

// C++11的⽅法
class Base final
{
	public :
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
private:
	// C++98的⽅法
	/*Base()
	{}*/
};

//error C3246: "Derive": 无法从 "Base" 继承，因为它已声明为 "final
class Derive :public Base
{
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

8. 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派⽣类私有和保护成员。

cpp 复制代码

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;
	// 编译报错：error C2248: "Student::_stuNum": ⽆法访问 protected 成员
	// 解决⽅案：Display也变成Student 的友元即可
	Display(p, s);
	return 0;
}

9. 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。⽆论派⽣出多少个派⽣类，都只有⼀个static成员实例。

cpp 复制代码

class Person
{
public:
	string _name;
	static int _count;
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum;
};
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	// 这⾥的运⾏结果可以看到⾮静态成员_name的地址是不⼀样的
	// 说明子类继承下来了，父子类对象各有⼀份
	cout << &p._name << endl;
	cout << &s._name << endl;
	// 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的
	// 说明子类和父类共用同⼀份静态成员
	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;
	// 公有的情况下，父子类指定类域都可以访问静态成员
	cout << Person::_count << endl;
	cout << Student::_count << endl;
	return 0;
}

10. 多继承及其菱形继承问题

继承模型

单继承 ：⼀个派⽣类只有⼀个直接基类时称这个继承关系为单继承。
多继承 ：⼀个派⽣类有两个或以上直接基类时称这个继承关系为多继承，多继承对象在内存中的模型是，先继承的基类在前⾯，后⾯继承的基类在后⾯，派⽣类成员在放到最后⾯。
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。⽀持多继承就⼀定会有菱形继承，像Java就直接不⽀持多继承，规避掉了这⾥的问题，所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。

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
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};

int main()
{
	// 编译报错：error C2385: 对"_name"的访问不明确
	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";
	return 0;
}

11. 虚继承

其实这个问题我们也可以解决，需要用到一个新的关键字virtual(虚继承)

这个virtual需要加在，会出现冗余继承的地方

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，性能也会有⼀些损失，所以最好不要设计出菱形继承。多继承可以认为是C++的缺陷之⼀，后来的⼀些编程语⾔都没有多继承，如Java。

cpp 复制代码

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
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
int main()
{
	// 使用虚继承，可以解决数据冗余和⼆义性
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
	return 0;
}

我们可以设计出多继承，但是不建议设计出菱形继承，因为菱形虚拟继承以后，⽆论是使⽤还是底层都会复杂很多。当然有多继承语法⽀持，就⼀定存在会设计出菱形继承，像Java是不⽀持多继承的，就避开了菱形继承。

12. 继承和组合

• public继承是⼀种is-a的关系。也就是说每个子类对象都是⼀个父类对象。

• 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。

• 继承允许你根据父类的实现来定义子类的实现。这种通过⽣成子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，父类的内部细节对子类可见。继承⼀定程度破坏了父类的封装，父类的改变，对子类有很大的影响。子类和父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。

• 优先使用组合，而不是继承。实际尽量多去用组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过也不太那么绝对，类之间的关系就适合继承(is-a)那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系既适合用继承(is-a)也适合组合(has-a)，就用组合。

例如：Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合组合(has-a)的关系，// Car和BMW/Benz更符合继承(is-a)的关系

cpp 复制代码

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 _t1;                   // 轮胎
    Tire _t2;                   // 轮胎
    Tire _t3;                   // 轮胎
    Tire _t4;                   // 轮胎
};
 
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; }
};