[C/C++]详解C++中的继承

Posted 2021-10-17 TT在长大

本文从继承的概念及定义开始，介绍了基类和派生类对象赋值转换，继承中的作用域，派生类的默认成员函数，继承与友元的关系，继承与静态成员的关系，复杂的菱形继承及菱形虚拟继承。

目录

一、继承的概念

1.概念

2.继承定义

二、基类和派生类对象赋值转换 

三、继承中的作用域

四、派生类的默认成员函数

五、继承与友元、静态成员

六、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

1.菱形继承

2.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

 七、继承和组合

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一、继承的概念

1.概念

面向对象程序设计中最重要的一个概念是继承。继承允许我们依据另一个类来定义一个类，这使得创建和维护一个应用程序变得更容易。

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。继承是类设计层次的复用。 

class Person
{
public:
    void Print()
    {
        cout << "name:" << _name << endl;
        cout << "age:" << _age << endl;
    }

protected:
    string _name = "abc"; // 姓名
    int _age = 18;
};

class Student : public Person
{
protected:
    int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
    int _jobid; // 工号
};

代码中继承后父类的Person的成员（成员函数+成员变量）都会变成子类的一部分。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。

2.继承定义

定义格式：

继承关系和访问限定符:

 

继承基类成员访问方式的变化:

类成员/继承方式	public继承	protected继承	private继承
基类的public员	派生类的public成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的protected成员	派生类的private成员
基类的private成员	在派生类中不可见	在派生类中不可见	在派生类中不可见

这里：

（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。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。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。

（5）在实际运用中一般使用都是public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。

二、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，叫切片或者切割。含义是把派生类中父类那部分切来赋值过去。

但是基类对象不能赋值给派生类对象。

基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针。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。

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 = &sobj
    Student* ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的。

    ps1->_No = 10;
    pp = &pobj;
    Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以，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。

如果是成员函数的隐藏，只需要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：
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。
3. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
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。

 

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)
        {
            Person::operator =(s);
            _num = s ._num;
        }

        return *this ;
    }

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

    protected :
        int _num ; //学号
};

五、继承与友元、静态成员

1. 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

2. 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。

六、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

1.菱形继承

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。

 

class Person
{
public :
    string _name ; 

};

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

class Teacher : public Person
{
protected :
    int _id ; 
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected :
    string _majorCourse ; 
};

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";

    // 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 = "aaa";
    a.Teacher::_name = "bbb";
}

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。

class Person
{
public :
    string _name ; 
};

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
};

2.虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

虚继承底层实现原理与编译器相关，一般通过虚基类指针和虚基类表实现，每个虚继承的子类都有一个虚基类指针（占用一个指针的存储空间，4字节）和虚基类表（不占用类对象的存储空间）；当虚继承的子类被当做父类继承时，虚基类指针也会被继承。

vbptr指的是虚基类表指针（virtual base table pointer），该指针指向了一个虚基类表（virtual table），虚表中记录了虚基类与本类的偏移地址；通过偏移地址，这样就找到了虚基类成员，而虚继承也不用像普通多继承那样维持着公共基类（虚基类）的两份同样的拷贝，节省了存储空间。

 七、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. 优先使用对象组合，而不是类继承 。

     4. 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)。

     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)。

     6. 实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。另外要实现多态，必须要继承。