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。
// Person称为父类或者基类
class Person
{
public:void Print(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}protected:string _name = "peter"; // 姓名private:int _age = 18; // 年龄
};
// Student继承了Person (Student称为派生类或者子类)
class Student : public Person
{
protected:int _stuid; // 学号
};// Teacher继承了Person (Teacher称为派生类或者子类)
class Teacher : public Person
{
protected:int _jobid; // 工号
};int main()
{Student s;Teacher t;// 对基类成员函数和成员变量的复用s.Print();t.Print();return 0;
}
// 打印结果为:
// name: peter
// age : 18
// name: peter
// age : 18
-
Student继承父类后,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。
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Student被称为子类
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Teacher继承父类后,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。
-
Teacher被称为子类
-
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。(变量的复用)。
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调用Print可以看到成员函数的复用。(成员函数的复用)
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对成员变量的复用
1.2 继承定义
1.2.1 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。
1.2.2继承关系和访问限定符
!
1.2.3继承基类成员访问方式的变化
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。
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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。(被protected修饰的成员变量,只能够再类里面被访问,不可以在类外面被访问,但是派生类的内部是可以访问继承的基类的被protected的成员变量/成员函数)
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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(基类或者子类限制小的那一个,大小顺序为public > protected > private)。
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(如果我们的子类继承父类时,没有写继承的访问限定符)那么你的类使用关键字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。
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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。
- 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
- 场景一:私有继承
// 1.Person是基类
class Person
{
public:void Print(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}protected:string _name = "peter"; // 姓名
private:int _age = 18; // 年龄
};
- 私有继承
- 类成员不可见(也就是成员被继承了,但是并不可以在子类中访问成员)
- 基类中的成员变量
_age
为基类的私有成员变量,因此在派生类中是不可见的(不论哪种继承方式) _name
是基类被protected
修饰的成员变量(因此是私有继承,所以在派生类中是私有成员变量)Print()
是基类被Public
修饰的成员函数(因此是私有继承,所以在派生类中是私有成员函数)
因为派生类的继承方式是private,因此成员变量和成员函数在基类中都是私有的
class Student : private Person
{
public:void Func(){// 此时print()为派生类Student的私有成员,因此只可以在类的内部调用// 如果我们想要在类的外部调用,可以通过Func()来调用// Func()函数是在类的内部调用的Print()函数Print();// _name被继承后,变为私有成员变量,因此是可以在类的内部进行访问的cout << "name:" << _name << endl;}protected:int _stunum; // 学号
};int main()
{Student s;return 0;
}
// 可以自己调试/打印查看
- 场景二:保护继承( protected)
- 基类中的成员变量
_age
为基类的私有成员变量,因此在派生类中是不可见的(不论哪种继承方式) _name
是基类被protected
修饰的成员变量(因此是保护继承,所以在派生类中是保护成员变量,只能在类内访问)Print()
是基类被Public
修饰的成员函数(因此是保护继承,所以在派生类中是保护成员函数,只能在类内访问)
class Student : protected Person
{
public:void Func(){// _name被继承后,是子类的保护成员变量,因此只能够在子类的内部进行访问cout << "name:" << _name << endl;}protected:int _stunum; // 学号
};
- 场景三:公有继承(pubilc)
- 基类中的成员变量
_age
为基类的私有成员变量,因此在派生类中是不可见的(不论哪种继承方式) _name
是基类被protected
修饰的成员变量(因此是公有继承,所以在派生类中是保护成员变量,只能在类内访问)Print()
是基类被Public
修饰的成员函数(因此是公有继承,所以在派生类中是公有成员函数,类外也可以被访问)
- 基类中的成员变量
class Student : public Person
{
public:void Func(){//_name依旧是保护成员,只能够在派生类的内部访问cout << "name:" << _name << endl;}protected:int _stunum; // 学号
};
- 场景四: 如果我们没有显示写基类的继承方式,那么class默认是私有继承
class Student : Person
{
public:void Func(){cout << "name:" << _name << endl;}protected:int _stunum; // 学号
};
- 场景五: 如果我们没有显示写子类的继承方式,那么
struct
默认是公有继承
struct Student : Person
{
public:void Func(){cout << "name:" << _name << endl;}protected:int _stunum; // 学号
};
2.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:这个我们后面再介绍,这里先了解一下)
// 基类赋值给派生类的切片演示// 基类
class Person
{
protected:string _name; // 姓名string _sex; // 性别
public:int _age = 18; // 年龄
};// Person的派生类(公有继承)
class Student : public Person
{
public:int _No; // 学号
};
int main()
{// 两种不同的内置类型的赋值转换int i = 1;double d = 2.2;// d想要赋值给i,由于类型的不同,会生成一个临时变量,会将d强转为int类型,放入临时变量,再将临时变量赋值给i,又因为临时变量具有常性,因此如果要引用,就必须加const来修饰i = d;const int& ri = d;return 0;
}
int main()
{// 派生类赋值给基类Person p; // 基类Student s; // 派生类// 派生类是包含有基类的类成员变量和类成员函数// 因此,当派生类对象赋值给基类对象时,中间不存在类型转换(也就是不需要临时变量)// s的类型是Student,是Person的继承(将派生类赋值给基类,会发生切片,会将派生类类中和基类共有的成员进行赋值)p = s;// 引用// 基类引用,引用的是派生类类对象中,属于基类的部分Person& rp = s; // 通过打印来验证rp._age = 1;cout << rp._age << endl;cout << s._age << endl;// 打印结果都为:1// 指针// 基类的指针变量存放派生类的地址,指针指向的是派生类对象中,属于基类的部分Person* ptrp = &s; // 通过打印来验证ptrp->_age++;cout << rp._age << endl;cout << s._age << endl;// 打印结果都为:2// 派生类中继承的基类成员的改变,并不会影响基类对象中成员变量的值cout << p._age << endl;// 打印结果为:18return 0;
}
3.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。
-
派生类和基类中有同名成员,基类成员将屏蔽派生类对同名成员的直接访问,这种情况叫隐藏,也叫重定义。(但是在派生类成员函数中,可以使用 基类::基类成员 显示访问基类成员)
-
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(也就是成员函数传递的参数不需要相同)。
-
注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
3.1 同名成员变量
// 基类Person
class Person
{
protected:// 姓名string _name = "小李子"; // 身份证号int _num = 111;
};// 派生类(公有继承)
class Student : public Person
{
public:void Print(){cout << " 姓名:" << _name << endl;// 直接使用基类和派生类的同名成员变量,默认访问Stuent派生类作用域的成员_numcout << " 学号:" << _num<< endl; // 如果想要使用基类的成员变量(同名的成员变量),那么必须使用 基类::基类成员 显示访问基类成员cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl; }protected:int _num = 999; // 学号
};int main()
{Student s;s.print();return 0;
}
3.2 同名函数
- 在下面的两个类中,基类中的
func()
,和派生类中的func()
,两个func()
函数是什么关系? - 有四个选项:重载 , 重写, 重定义/隐藏, 编译报错
class A
{
public:void fun(){cout << "A::func()" << endl;}
};class B : public A
{
public:void fun(int i){cout << "B::func(int i)->" << i << endl;}
};void Test()
{B b;// 访问的是派生类B的成员函数func(int i)b.fun(10);// 访问的是基类A的成员函数fun()b.A::fun();
};int main()
{Test();
}
- 正确选项 -> 重定义/隐藏
- 基类和派生类类的同名成员函数,函数名相同就构成隐藏
// 下面的程序: 会编译报错
class A
{
public:void fun(){cout << "A::func()" << endl;}
};class B : public A
{
public:void fun(int i){cout << "B::func(int i)->" << i << endl;}
};void Test()
{B b;// 编译报错,这种是错误的写法// 如果想要访问基类的成员函数,应该这样使用 -> b.A::fun();// 如果想要访问派生类的成员函数fun(),应该这样使用 -> b.fun(10) , 这里的函数,必须传递一个参数b.fun();};int main()
{Test();return 0;
}
4.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。
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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。
-
派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
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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。
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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。
-
因为后续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(这个我们后面会讲解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理,处理成
destrutor()
,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。
- 基类
class Person
{
public:// 基类的构造函数Person(const char* name): _name(name){cout << "Person()" << endl;}// 基类的拷贝构造函数Person(const Person& p): _name(p._name){cout << "Person(const Person& p)" << endl;}// 基类的赋值重载Person& operator=(const Person& p){cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;if (this != &p)_name = p._name;return *this;}// 基类的析构函数~Person(){cout << "~Person()" << endl;}protected:string _name; // 姓名
};
- 派生类(公有继承)
class Student : public Person
{
public:// 派生类的构造函数// Person为基类,因此必须调用基类Person的构造函数来对基类初始化 -> Person(name) // 如果基类构造函数为默认构造函数,则不需要专门调用基类的构造函数,编译器会默认初始化// 此处的基类Person的构造函数是自定义的构造函数,因此我们需要调用基类的构造函数,来对派生类中基类的那部分来进行初始化Student(const char*name, int num):Person(name) , _num(num){}// 派生类的拷贝构造函数// 因为基类Person的拷贝构造函数是自定义的拷贝构造函数,因此想要拷贝派生类对象中属于基类的那一部分,就必须调用基类的拷贝构造函数来拷贝// Person(s) --> 传递的虽然是派生类的对象s,但是基类的拷贝构造的参数是Person类型的,// 因此Person类型的引用,引用的只是派生类对象中,属于基类的那一部分// (Person& p = s 引用的是派生类对象中属于基类的部分)Student(const Student& s):Person(s) , _num(s._num){}// 派生类的赋值重载函数Student& operator=(const Student& s){if (this != &s){// 调用基类的赋值重载来完成派生类中属于基类的那一部分的赋值重载,// 传递参数对象s,也是切割派生类中属于基类部分进行传递// 派生类和基类的赋值重载,函数名相同(不需要看参数和返回值),因此构成了重定义/隐藏// 因此必须加上基类的指定作用域,不然会默认调用派生类类的 operator=() 函数Person::operator=(s);// 属于派生类部分的赋值_num = s._num;}return *this;}// 第一怪:1、派生类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。//(由于多态关系需求,所有析构函数都会特殊处理成destructor函数名)// 第二怪:派生类类先析构,基类再析构。派生类类析构函数不需要显示调用基类析构函数,派生类析构后会自动调用基类析构~Student(){// 此处不需要显示调用基类的析构函数// 由于派生类析构后会调用基类的析构函数,如果我们再显示调用,就会造成多次析构,对同一块空间多次析构,编译器就会报错// Person::~Person();cout << "~Student()" << endl;}protected:int _num; //学号
};
int main()
{// 调用构造函数Student s1("张三", 18);// 调用拷贝构造函数Student s2(s1);Student s3("李四", 20);// 调用赋值重载函数s1 = s3;// 结束时,会自动调用析构函数return 0;
}
5.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派生类类私有和保护成员
// 基类
class Person
{
public:// 友元函数声明friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name; // 姓名
};// 派生类(公有继承)
class Student : public Person
{
protected:int _stuNum; // 学号
};void Display(const Person& p, const Student& s)
{// 因为基类里面有Display()的友元,因此可以访问基类的私有成员/保护成员cout << p._name << endl; // 因为基类的友元并不可以被派生类继承,因此不可以访问派生类类的私有成员// 此处会报错,因为友元无法继承,因此不能够访问保护成员变量_stuNumcout << s._stuNum << endl;
}int main()
{Person p;Student s;Display(p, s);return 0;
}
6. 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 。
// 基类
class Person
{
public:// 构造函数Person() { ++_count; }void Print(){cout << this << endl; cout << _name << endl; cout << _count << endl;}string _name; // 姓名
public:// 静态成员变量static int _count; // 统计人的个数。
};// 静态成员是全局的,因此在类外进行初始化
// 对静态成员变量_count 初始化
int Person::_count = 0;// 派生类
class Student : public Person
{
protected:int _stuNum; // 学号
};
- 静态成员属于整个类和创建的所有对象。同时也属于所有派生类及创建的所有派生类对象
int main()
{Person p;Student s;// 以下的两个_name并不是同一个_name// 此处的_name是基类对象p的_namep._name = "张三"; // 此处的_name是派生类对象s的_name(派生类Student 继承了基类Person的成员变量_name)s._name = "李四"; // 因为_count 是静态成员变量,是存放在静态区的,因此基类和派生类调用的都是静态区的实例成员_countp._count++;s._count++;cout << p._count << endl;cout << s._count << endl;cout << &p._count << endl;cout << &s._count << endl;cout << Person::_count << endl; // 也可以通过限定作用域去访问_countcout << Student::_count << endl;// 打印结果都是对应相同的// 此处会报错,因为ptr是指向空指针的,所以并没有存放_name的对象Person* ptr = nullptr;cout << ptr->_name << endl; // Print()并没有存放在对象中,而是存放在代码段,(ptr-> 是用来指明类域的)因此可以正常运行ptr->Print(); // _count并没有存放在对象中,而是存放在静态区,(ptr-> 是用来指明类域的)因此可以正常运行cout << ptr->_count << endl; // 以下都可以正常运行,原因同上// (*ptr).Print() 和 ptr->_count是一样的效果(*ptr).Print(); cout << (*ptr)._count << endl; return 0;
}
7.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
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
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。
// 基类
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
};void Test()
{// 这样会有二义性无法明确知道访问的派生类Assitant的哪一个基类的_name// 因此,此处直接调用,编译器会报错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彻底解决a.Student::_name = "xxx";a.Teacher::_name = "yyy";
}
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。
class Person
{
public:string _name; // 姓名
};// 虚拟继承
class Student : virtual public Person
{
protected:int _num; //学号
};// 虚拟继承
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()
{// 使用虚拟继承之后,两个_name可以看做是一个_nameAssistant a;a._name = "peter";
}
虚拟继承的原理
- 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。
- 没有使用虚拟继承
class A
{
public:int _a;
};class B : public A
{
public:int _b;
};class C : public A
{
public:int _c;
};class D : public B, public C
{
public:int _d;
};int main()
{D d;d._b = 1;d._c = 2;d._d = 3;// 此处必须指定类域,不然编译器无法判断访问的是B还是C的成员变量_ad.B::_a = 4;d.C::_a = 5;return 0;
}// 下图查看的是取对象d的地址的内存
// B继承了A,C也继承了A,因此B和C中都有4个字节的内存空间来存放其继承的A的成员
// 这样,也就导致继承B和C的D,无法判断访问的是B或者还是C的A的成员了
- 使用虚拟继承
class A
{
public:int _a;
};class B : virtual public A
{
public:int _b;
};class C : virtual public A
{
public:int _c;
};class D : public B, public C
{
public:int _d;
};int main()
{// 第一部分D d;d._b = 1;d._c = 2;d._d = 3;// 指定对应的类域进行赋值d.B::_a = 4;d.C::_a = 5;// 直接对基类的成员变量_a进行赋值d._a = 6;return 0;// 第二部分B b;b._a = 1;b._b = 2;B* ptr = &b;ptr->_a = 10;ptr->_b = 11;// 第三部分,将d切片,赋值给bptr = &d;ptr->_a = 20;ptr->_b = 21;return 0;
}
- 第一部分
14 eb 88 00
就是虚基表的地址- 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。
- 第二部分
2c dd d4 00
就是虚基表的地址
- 第三部分
ptr
是B类的指针,因此将D类的地址赋值非ptr
,会进行切片(并不会发生类型转换)
下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释:
8.继承的总结和反思
继承
/*
继承
白箱复用
假如在类X中,共有100个成员,其中80个是保护成员,20个是共有成员,则任何一个成员的调整都有可能影响类Y
耦合度高public继承是一种`is-a`的关系。也就是说每个派生类对象都有一个基类对象。
*/
class X
{int _x;
};class Y : public X
{int _y;
};
组合
/*
组合
黑箱复用
假如在类M中,共有100个成员,其中80个是保护成员,20个是共有成员,则只有20个共有成员可能影响类N
因为保护成员N是无法通过组合的方式访问M的保护成员的
耦合度低
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。
*/
class M
{int _m;
};class N
{M _mm;int _n;
};
-
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有一个基类对象。 -
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。
-
-
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。
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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。
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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。