C++ —— 关于继承(inheritance)

迷迭所归处

发布于 2024-11-19 17:11:19

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1. 继承的概念及定义

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，叫做子类 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

#include<iostream>
 
using namespace std;
//基类
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 
};
//派生类
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;
 
	//继承基类的公有函数与保护成员
	s.identity();
	t.identity();
	return 0;
}

1.2 继承的定义格式 Person是基类，也称作⽗类 Student是派⽣类，也称作⼦类
派⽣类用公有的方式继承了基类

1.3 继承基类成员访问方式的变化

1. 基类private成员在派⽣类中⽆论以什么⽅式继承都是不可⻅的。这⾥的不可⻅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 3. 基类的其他成员在派⽣类的访问⽅式 == 取权限小的那个，Min(成员在基类的访问限定符，继承⽅式)， public >protected >private 4. 如果不写访问限定符的话，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
派生类不可以访问基类中的私有成员，但是可以使用基类的公有成员函数调用访问私有成员

// 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
    //class Student : private Person
class Student : public Person
{
protected :
    int _stunum ; // 学号
};

1.4 类模板的继承

使用类模版模拟实现一个栈，可以使用vector/list/deque来当做底层容器，核心就是类模版的继承

//Stack使用公有的方式继承了vector实例化出来的
class Stack : public std::vector<T>
//Stack使用公有的方式继承了list实例化出来的
class Stack : public std::list<T>
//Stack使用公有的方式继承了deque实例化出来的
class Stack : public std::deque<T>

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

template<class T>
//Stack使用公有的方式继承了vector实例化出来的
class Stack : public std::vector<T>

//class Stack : public std::list<T>
//class Stack : public std::deque<T>
{
public:
	// 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 
	void push(const T& x)
	{
		vector<T>::push_back(x);
	}
 
	void pop()
	{
		vector<T>::pop_back();
	}
 
	const T& top()
	{
		return vector<T>::back();
	}
 
	bool empty()
	{
		return vector<T>::empty();
	}
};
 
int main()
{
	Stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
 
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;
 
	return 0;
}

2.基类与派生类的转换

1.public继承的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

// 1.派⽣类对象可以赋值给基类的指针/引⽤/对象
Person* pp = &sobj;
Person& rp = sobj;

//派⽣类对象可以赋值给基类的对象是通过调⽤后⾯会讲解的基类的拷⻉构造完成的
Person pobj = sobj;

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（不会产生临时变量），基类指针或引⽤指向的是派⽣类中切出来的基类那部分

2.基类对象不能赋值给派⽣类对象

//2.基类对象不能赋值给派⽣类对象，这⾥会编译报错
sobj = pobj;

3.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

3. 继承中的作用域

基类与派生类都具有不同的作用域，所以不存在重载，因为重载需要在相同的作用域
3.1 隐藏规则 1. 在继承体系中基类和派⽣类都有独⽴的作⽤域 2. 如果派⽣类和基类中有同名成员，派⽣类的同名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） 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

class Parent
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "fun()" << endl;
	}
};
 
class Child : public Parent
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "fun(i)" << endl;
	}
};
 
int main()
{
	Parent p;
	Child c;
 
	//报错,因为子类中没有参数为空的fun函数，而继承父类中的fun函数被隐藏，所以会报错,指定作用域即可
    //c.fun();
    c.Parent::fun();
 
	return 0;
}

4. 派⽣类的默认成员函数

子类有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？

4.1 4个常见默认成员函数

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里面显⽰调⽤

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "xxx")
		: _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, const char* addrss)
		:Person(name)
		,_num(num)
		,_addrss(addrss)
	{}

	
protected:
	int _num = 1; //学号
	string _addrss = "中国";

	int* _ptr = new int[10];
};

int main()
{
	Student s1("张三", 1, "中国");
	Student s2(s1);

	Student s3("李四", 2, "湖北");
	s1 = s3;

	/*Person* ptr = new Person;
	delete ptr;*/

	return 0;
}

2.派⽣类的拷贝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 对于内置类型：值拷贝对于自定义类型：默认拷贝构造 对于继承而来的父类成员：调用父类的拷贝构造 子类使用默认拷贝构造函数即可，除非开辟了新的空间需要自定义拷贝构造

一般情况下子类的构造需要自己写，拷贝构造，赋值重载，析构这三个可以看作一个整体，一般不需要自己写，因为有资源需要写析构去释放的时候才会写拷贝构造和赋值重载

// 严格说Student拷贝构造默认生成的就够用了
// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现
	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		,_num(s._num)
		,_addrss(s._addrss)
	{
		// 深拷贝
	}

3.派⽣类的operator=必须调⽤基类的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

// 严格说Student赋值重载默认生成的就够用了
	// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			// 父类和子类的operator=构成隐藏关系
			Person::operator=(s);

			_num = s._num;
			_addrss = s._addrss;
		}

		return *this;
	}

4.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 5.派⽣类对象初始化先调⽤基类构造再调派⽣类构造 6.派⽣类对象析构清理先调⽤派⽣类析构再调基类的析构

// 严格说Student析构默认生成的就够用了
	// 如果有需要显示释放的资源，才需要自己实现
	// 析构函数都会被特殊处理成destructor() 
	~Student()
	{
		// 子类的析构和父类析构函数也构成隐藏关系
		// 规定：不需要显示调用，子类析构函数之后，会自动调用父类析构
		// 这样保证析构顺序，先子后父
        //显示调用取决于实现的人，不能保证
		//Person::~Person();
        cout << "~Student()" << endl;
	}

子类的初始化的顺序是先父后子，析构顺序是先子后父

7.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

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "xxx")
		: _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, const char* addrss)
		:Person(name)
		,_num(num)
		,_addrss(addrss)
	{}

    // 严格说Student拷贝构造默认生成的就够用了
	// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现
	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		,_num(s._num)
		,_addrss(s._addrss)
	{
		// 深拷贝
	}

	// 严格说Student赋值重载默认生成的就够用了
	// 如果有需要深拷贝的资源，才需要自己实现
	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			// 父类和子类的operator=构成隐藏关系
			Person::operator=(s);

			_num = s._num;
			_addrss = s._addrss;
		}

		return *this;
	}

	// 严格说Student析构默认生成的就够用了
	// 如果有需要显示释放的资源，才需要自己实现
	// 析构函数都会被特殊处理成destructor() 
	~Student()
	{
		// 子类的析构和父类析构函数也构成隐藏关系
		// 规定：不需要显示调用，子类析构函数之后，会自动调用父类析构
		// 这样保证析构顺序，先子后父，显示调用取决于实现的人，不能保证
		// 先子后父
		//Person::~Person();
		//delete _ptr;
	}	

protected:
	int _num = 1; //学号
	string _addrss = "中国";

	int* _ptr = new int[10];
};

int main()
{
	Student s1("张三", 1, "中国");
	Student s2(s1);

	Student s3("李四", 2, "湖北");
	s1 = s3;

	/*Person* ptr = new Person;
	delete ptr;*/

	return 0;
}

4.2 实现⼀个不能被继承的类 方法一：将父类的构造函数私有化，这样子类就无法实例化对象，因为私有的成员在子类里是不可见的，但是如果不去定义的话编译器就不会报错

//方法一：将基类的构造函数私有化，这样派生类就无法实例化对象
class Parent
{
private:
	Parent()
	{
		cout << "Parent()" << endl;
	}
};
 
class Child :public Parent
{
public:
	Child()
	{
		cout << "Child()" << endl;
	}
};

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

// 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()
	{}*/
};

class Derive :public Base
{
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

5. 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

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;
	// 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;
}

6.继承与静态成员 基类定义了一个静态成员，那么无论有多少子类都只有一个静态变量成员，即一个static实例

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
	// 说明派⽣类继承下来了，⽗派⽣类对象各有⼀份
	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
	// 说明派⽣类和基类共⽤同⼀份静态成员
	cout << &p._count << endl;
	cout << &s._count << endl;
	// 公有的情况下，⽗派⽣类指定类域都可以访问静态成员
	cout << Person::_count << endl;
	cout << Student::_count << endl;
	return 0;
}

7. 多继承及其菱形继承问题

7.1 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

单继承：

多继承：

菱形继承：

//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
};
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基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;
}

7.2 虚继承（virtual） 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 使用虚继承，可以解决数据冗余和⼆义性，哪个类产生了数据冗余和⼆义性，继承时就用虚继承 比如：B和C继承了A的数据时，A产生了数据冗余和⼆义性，那么B和C就要使用虚继承

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
    int _tel;
    int _age;
    string _gender;
    string _address;
};

// 使⽤虚继承Person类
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};

// 使⽤虚继承Person类
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id; // 职⼯编号
};

// 教授助理
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";
	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

7.3 多继承中指针偏移问题

根据下面的代码可以得到Derive继承了Base1与Base2，其中p3自然指向的是Base1，p1由于是Base1继承而来，就与p3指向同一个位置，而p2则是由于切片后指向的是p1与p3的下一个位置，所以三者的内存地址是:p1==p3!=p2

//继承中的指针偏移问题
class Base1
{
public:
	int _b1;
};
 
class Base2
{
public:
	int _b2;
};
 
class Derive : public Base1, public Base2
{
	int _d;
};
 
int main()
{
	Derive d;
 
	Base1* p1 = &d;
	Base2* p2 = &d;
	Derive* p3 = &d;
 
	return 0;
}

8. 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 2. 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 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，基类的内部细节对派⽣类可⻅。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 4. 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。这种复⽤⻛格被称为⿊箱复⽤(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可⻅的。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 5. 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

// Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合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";
	// ⻋牌号
	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; }
};

// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系
class Benz : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};
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 vector<T>
{};

template<class T>
class stack
{
public:
	vector<T> _v;
};

int main()
{
	return 0;
}

完结撒花~

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