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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#xff0c;它允许程序员在保 持原有类特性的基础上进行扩展#xff0c;增加功能#xff0c;这样产生新的类#xff0c;称派生类。 继承呈现了面向对象 程序设…一、继承的概念及定义
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。 // 基类
class Person
{
protected:void print(){cout name: _name endl;cout age: _age endl;}
protected:string _name 张三; // 姓名int _age 18; // 年龄
};// 派生类
class Student : public Person
{
protected:int _stuid; // 学号
};// 派生类
class Teacher : public Person
{
protected:int _jobid; // 工号
};int main()
{Person p;p.Print();Student s;s.print();Teacher t;t.print();return 0;
} 继承后父类 Person 的成员成员函数 成员变量都会变成子类的一部分。 这里体现出了 Student 和 Teacher 复用了 Person 的成员。 2、继承定义
1定义格式 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。 2继承关系和访问限定符 继承后成员的访问权限是同时受父类的访问限定符和子类继承父类的方式影响的也就是说互相组合一共有 9 种继承方式。 3继承基类成员访问方式的变化
下面这个表格不需要记忆通过理解加深印象即可。
红色框住的是常用的 【总结】 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在语法上限制派生类对象不管是在类里面还是在类外面都不能去访问它。】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。 实际从上面的表格种我们总结一下可以发现基类的私有成员在子类都是不可见的。基类的其他成员在子类的访问方式 Min访问方式继承方式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公有 继承几乎很少使用 protetced保护/ private私有 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。 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
// 基类
class Person
{
public :void Print (){cout _name endl;}
protected :string _name ; // 姓名
private :int _age ; // 年龄
};// 派生类
//class Student : protected Person
//class Student : private Person
class Student : public Person
{
protected :int _stunum ; // 学号
};
⚪【补充】 如何给基类成员设置合适的访问限定符 基类成员想让它被所有人访问就设置成 public【公有】。基类成员不想让它在类外被直接访问但需要在派生类中被访问就设置成 protected【保护】。基类成员不想让它在类外被直接访问也不想让它在派生类中被访问就设置成 private【私有】。 二、基类和派生类对象赋值转换 派生类对象可以赋值给 ① 基类的对象 / ② 基类的指针 / ③ 基类的引用。前提是公有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 RTTIRun-Time Type Information的 dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。了解 // 基类
class Person
{
protected :string _name; // 姓名string _sex; // 性别int _age; // 年龄
};// 派生类
class Student : public Person
{
public :int _id; // 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;// 3.基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针pp sobjStudent* ps1 (Student*)pp; // 这种情况转换是可以的ps1-_No 10;pp pobj;Student* ps2 (Student*)pp; // 这种情况转换虽然可以但是会存在越界访问的问题ps2-_No 10;
} 三、继承中的作用域 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。 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 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。 // Student的_num和Person的_num构成隐藏关系虽然这样的代码虽然能跑但是非常容易混淆// 基类
class Person
{
protected :string _name 李四; // 姓名int _num 333444; // 身份证号
};// 派生类
class Student : public Person
{
public:void Print(){cout 姓名: _name endl;cout 身份证号: Person::_num endl; // 类名::成员显示访问cout 学号: _num endl; // 打印的是派生类的学号}
protected:int _num 111222; // 学号
};int main()
{Student s1;s1.Print();return 0;
}; class A
{
public:void fun(){cout func() endl;}
};class B : public A
{
public:void fun(int i){A::fun(); // 类名::成员 还是可以访问的cout func(int i)- i endl;}
};int main()
{B b;b.fun(10);return 0;
}; 注意这里要重点区分一下函数重载首先重载是对同一作用域中才存在的概念这里肯定不构成重载。其次隐藏的要求也和重载不同只需要和基类成员函数同名就能构造隐藏。 B 中的 fun 和 A 中的 fun 不是构成重载因为不在同一作用域。 B 中的 fun 和 A 中的 fun 构成隐藏成员函数满足函数名相同就构成隐藏。 四、派生类的默认成员函数 6 个默认成员函数“默认” 的意思就是指我们不写编译器会给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 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。 对于继承的基类成员 —— 把它当作一个整体先自动调用基类的默认构造函数初始化。对于类中的内置类型成员 —— 不任何处理除非声明时给了缺省值。对于类中的自定义类型成员 —— 调用它的默认构造函数不需要参数就可以调用的比如无参构造函数或全缺省构造函数。 2、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。 对于继承的基类成员 —— 把它作为一个整体先自动调用基类的拷贝构造函数来完成拷贝初始化。对于类中的内置类型成员 —— 完成值拷贝。对于类中的自定义类型成员 —— 自动调用它的拷贝构造函数来完成拷贝初始化。 3、派生类的 operator 必须要调用基类的 operator 完成基类的复制。设计子类析构时只要保证自己的资源正确释放即可。 对于继承的基类成员 —— 把它作为一个整体调用基类的拷贝赋值函数来完成赋值初始化。对于类中的内置类型成员 —— 完成值拷贝。对于类中的自定义类型成员 —— 调用它的赋值重载函数来完成赋值初始化。 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。要符合先定义的先析构 对于继承的基类成员 —— 把它作为一个整体派生类的析构函数调用完成后会自动调用基类的析构函数完成清理工作。 对于类中的内置类型成员 —— 不处理。 对于类中的自定义类型成员 —— 调用它的析构函数完成清理工作。 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。 在一些场景下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 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。 子类的析构函数在执行结束后会自动调用父类的析构函数。 因为创建派生类对象时先创建初始化了基类成员再创建初始化了派生类成员。所以派生类对象析构清理先调用派生类析构函数清理派生类成员后再调用基类析构函数清理基类成员。 // 基类
class Person
{
public :// 默认构造函数Person(const char* name Peter): _name(name ){cout Person() endl;}// 拷贝构造函数Person(const Person p): _name(p._name){cout Person(const Person p) endl;}// 赋值重载函数Person operator(const Person p ){cout Person operator(const Person p) endl;if (this ! p)_name p ._name;return *this ;}// 析构函数~Person(){cout ~Person() endl;}
protected :string _name ; // 姓名
};//派生类
class Student : public Person
{
public :// 自己实现派生类的构造函数// 注意继承的基类成员是作为一个整体调用基类的构造函数进行初始化Student(const char* name, int num): Person(name) // 显示调用基类的构造函数, _num(num){cout Student() endl;}// 如果我们要自己实现派生类的拷贝构造如下所示// 但一般用编译器默认生成的即可如果派生类中存在深拷贝才需要自己实现Student(const Student s): Person(s) // 必须显示调用基类的拷贝构造这里会发生切片, _num(s ._num){cout Student(const Student s) endl ;}// 自己实现派生类的赋值重载函数Student operator (const Student s ){cout Student operator (const Student s) endl;if (this ! s){Person::operator (s); // 必须显示调用基类的赋值重载这里会发生切片_num s ._num;}return *this ;} ~Student() // 先清理自己的资源{cout ~Student() endl;} // 结束后会自动调用父类的析构函数
protected :int _num ; //学号
};int main()
{Student s1 (Jack, 18);// 调用构造函数Student s2 (s1); // 调用拷贝构造函数Student s3 (Rose, 17);s1 s3 ; // 调用重载赋值函数return 0;
} 五、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子类私有和保护成员。 class Student;// 基类
class Person
{
public:friend void Display(const Person p, const Student s); // 声明该函数是基类的友元
protected:string _name; // 姓名
};// 派生类
class Student : public Person
{
protected:int _stuNum; // 学号
};void Display(const Person p, const Student s)
{cout p._name endl; // 你是基类的友元访问基类对象是可以的cout s._stuNum endl; // 友元不继承你不能访问派生类对象这里会报错显示不可访问
}int main()
{Person p;Student s;Display(p, s);return 0;
} 六、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 。 //无论继承多少层大家用的始终是同一个变量// 基类
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
};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;
} 七、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承 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。 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()
{// 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;return 0;
} 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。 注意virtual 不是在 Assistant 处加而是在菱形中间腰部 (Student 和 Teacher) 的位置加。 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()
{Assistant a ;a._name Peter; //这个时候_name其实只有一个// 这下面两个显示访问其实访问的都是一个变量a.Student::_name xxx;a.Teacher::_name yyy;return 0;
} 虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理。 为了研究虚拟继承原理我们给出了一个简化的菱形继承继承体系再借助内存窗口观察对象成 员的模型。 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;
} 下图是菱形继承的内存对象成员模型这里可以看到数据冗余。 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张表是什么呢 B 和 C 中还各自多了 4 个字节的地址我们再通过其它内存窗口查看 B 和 C 中那两个地址放的到底是什么发现 B 和 C 中各自那所谓多余的 4 个字节指向的空间中存储了 十进制20十六进制14 00 00 00 和 十进制12十六进制0c 00 00 00其实它们一点都不多余其代表的含义是对于 A 的偏移量 —— 0x005EF75C 20 0x005EF7700x005EF764 14 0x005EF770官方来讲对于 0x005EF75C 和 0x005EF764 所指向的内存 2 和内存 3称之为虚基表。 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。 为什么 D 中 B 和 C 部分要去找属于自己的 A 那么看看当下面的赋值发生时d 是不是要去找出 B/C 成员中的 A 才能赋值过去
D d;
B b;
B* p1 d; // B对象指针 - D对象把D对象切片给B对象指针
p1-_a; // 指针访问虚基类A的成员
B* p2 b; // B对象指针 - B对象
p2-_a; // 指针访问虚基类A的成员
1为什么需要偏移量 指针是无法识别自己指向的是哪个类的对象即可能指向自己也可能指向子类比如上面这段代码B 对象和 D 对象中的虚基类成员 _a 的偏移量是不一样的所以我们也只能通过偏移量来计算出 _a 的位置。 B 或 C 的对象、对象指针、对象引用访问继承的虚基类 A 的对象中的成员 _a都要取偏移量计算 _a 的位置。 2为什么不在 0x005EF75C、0x005EF764 直接存偏移量 这样也是可以的但是使用虚基表来存储的原因是 还有其它场景 —— 在引入多态时 0x00BC5F50 和 0x00BC5F5C 处还需要再存储一个值。 3virtual 已经能解决菱形继承所带来的问题了为什么还是不建议使用 在解决问题的同时效率也降低了它的这个对象模型变的更加复杂。之前是编译器编译完直接就可以找到因为它们是紧挨着的而现在却必须得通过指针来找到偏移量再与现在的地址进行相加才可以找到。 下面是上面的 Person 关系菱形虚拟继承的原理解释 八、继承的总结和反思 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。 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。 继承和组合 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。 优先使用 对象组合 而不是类继承 。 可参考下面这篇博客 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。 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。 // Car和BMW Car和Benz构成is-a的关系
class Car{
protected:string _colour 白色; // 颜色string _num 粤DK0896; // 车牌号
};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;}
};// Tire和Car构成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 粤DK0896; // 车牌号Tire _t; // 轮胎
};
