【C++】继承 — 继承的引入、赋值切片详细讲解

前言
我们知道C++语言是一门面向对象编程的语言，而面向对象编程有三大特性，它们分别是：

  • 封装
  • 继承
  • 多态

    目录

      • 1. 继承的概念及定义
        • 1.1继承的概念
        • 1.2继承的定义格式
        • 1.3 继承的使用
      • 2 基类和派生类对象赋值转换
      • 3 继承中的作用域
        • 3.1 派生类对象的存储空间大小：
      • 4 派生类的默认成员函数
        • 4.1 子类默认生成的成员函数：
        • 4.2 子类显示写的成员函数：
          • 4.2.1 构造函数
          • 4.2.2 拷贝构造
          • 4.2.3 赋值重载
          • 4.2.4 析构函数
      • 5 友元和继承
      • 6 继承与静态成员
      • 7 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
        • 7.1 virtual 虚继承
      • 8. 菱形虚拟（virtual)继承的底层 - 对象模型：
      • 9.继承的总结和反思

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。

1.2继承的定义格式

继承的形象定义：
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
在这里插入图片描述

  • 继承的格式：
  • 继承的本质是类设计角度的复用
    在这里插入图片描述

1.3 继承的使用

C++在这里设计的很复杂，又设计了三种继承方式。
继承关系和访问限定符：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
总结如下：

  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。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。
  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。可以看出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. 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protetced/private继承

总结提炼：

  • 先将基类的 私有成员 和 公有/保护成员 分成两类去看待
  • 基类的私有成员在子类都是不可见。私有成员的意义：不想被子类继承的成员，可以设计成私有。
  • 基类中其他成员的访问方式是 （成员在基类的访问限定符，继承方式）当中，权限小的那一个
  • 父类的私有成员也会被继承过来，只是语法限制其不能访问
  • 不可见意思是：在类外面和类里面都不能访问
class Person
{
protected:
//private:string _name; //姓名string _tel; //电话string _address; //地址
};class Student : public Person
{
protected:int _age;string _stuId;
};int main()
{Student s;cout << sizeof(s) << endl;return 0;
}

无论父类成员是 私有（private）还是 保护（protected）子类的大小都是一样的 --> 116

2 基类和派生类对象赋值转换

赋值兼容的规则是建立在 public（公有）继承的基础上

  • 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
  • 天然支持子类赋值给父类。

在这里插入图片描述

class Person
{
protected :string _name; // 姓名string _sex; // 性别int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public :int _No ; // 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;
}

基类 对象赋值给 派生类 对象是不可以的

  • 只能向上去赋值（切片），不能向下赋值
  • 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。但是必须是基类转换给派生类是安全的。也就是说，这里基类要是多态类型，可以使用RTTI(RunTime Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换
// 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;

3 继承中的作用域

  1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
  2. 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）
  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.

这里相当于就近原则（局部有限），先调用离自己近的。

/% 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
};
void Test()
{Student s1;s1.Print();
};

注意：

  • 在继承里面，成员变量和成员函数最好都不要定义成同名的
  • 函数重载要求在同一个作用域，在不同的作用域不是重载。
  • 同名但是在不同的作用域 ，只需要函数名相同就构成了隐藏

3.1 派生类对象的存储空间大小：

  • = 基类存储空间 + 派生类特有的非static数据成员的存储空间
  • 还有一类是比较特殊的情况，如果是虚继承的情况下，这时的存储空间大小就会发生变化。
  • 基类的存储空间 + 派生类特有的非static数据成员的存储空间 + 每一个类的虚函数存储空间。

4 派生类的默认成员函数

在我们之前学类和对象中，已经清楚基类中默认成员函数的规则。

在这里插入图片描述

4.1 子类默认生成的成员函数：

派生类默认生成的成员函数原则：

  • 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。
  • 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
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; 
};%子类会生成默认成员函数，里面会有自动调用父类进行初始化的
class Student : public Person
{
public:
protected:int _num;string _address;
};int main()
{Student s;return 0;
}

4.2 子类显示写的成员函数：

4.2.1 构造函数
  • 父类的构造函数完成了父类的那一部分的构造。
  • 声明中会认为父类在前，子类在后
class Person
{
public:Person(const char* name): _name(name){cout << "Person()" << endl;}~Person(){cout << "~Person()" << endl;}protected:string _name; 
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name = "", int num = 0)//像初始化一个匿名对象一样去写:Person(name),_num(num){_name = name;}
protected:int _num;string _address;
};
4.2.2 拷贝构造

父类的拷贝构造完成了父类的那一部分的拷贝。

public:Student(const Student& s):Person(s)//切片,_num(s._num){}

对于子类剩下的那一部分成员，按照之前的规则处理，对于内置类型完成值拷贝，自定义类型去调用该自定义类型的拷贝构造。

问题：

这里要将Person的对象传过去，如何将子类当中父类继承的那一部分拿出来，传过去来拷贝构造呢？

  • 切片 – 子类的对象传给父类对象的引用
4.2.3 赋值重载
  • 原来子类中的赋值重载和父类中的赋值重载函数名相同
  • 子类和父类中的这两个函数构成了 – 隐藏
  • 我们只需要指定类域，就可以解决这个问题
public:Student& operator=(const Student& s){if（this!=&s){Person::operator=(s);//切片_num=s._num;}cout<<"student& operator=(const Student s)"<<endl;return *this;}
4.2.4 析构函数
  • 按照我们之前的理解，应该显示去调用父类的析构再去完成自己的析构
public:~ Student(){Person:: ~Person();cout<<"~Student()"<<endl;}

这里有隐藏的很深的问题：

  • 子类的析构函数跟父类析构函数构成隐藏:
    原因：由于后面多态的需要，析构函数名字会统一处理成destructor( )
    所以在无形当中就构成了隐藏

这里我们发现好像多调用了2次父类析构，原因是什么呢？

补充：

为了保证析构顺序，子类的析构完成后，会直接调用父类的

  • 不需要显示调用父类析构函数
  • 每个子类析构函数后面，会自动调用父类析构函数，这样才能保证先析构子类，再析构父类
  • 这里是编译器的优化

正确写法：

public:~ Student(){//Person:: ~Person();cout<<"~Student()"<<endl;//---->自动调用父类析构函数}

5 友元和继承

**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 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;
}
void main()
{Person p;Student s;Display(p, s);
}

6 继承与静态成员

比如说父类有一个静态成员，那子类继承之后，子类会增加一个静态成员还是和父类共享一个静态成员呢？

答案是共享同一个。

7 复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

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
在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述
早期多继承没什么问题，直到菱形继承的出现。

菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。
在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述

  • 虽然可以通过指定作用域来访问来解决二义性的问题，但是数据冗余还没有得到解决。
  • 当父类中的成员变量很大的时候，数据冗余带来的问题就是空间的浪费

正是因为多继承会导致很多麻烦，所以 java中直接就取消了多继承。

7.1 virtual 虚继承

为了解决菱形继承中的数据冗余和二义性，只需要在菱形继承的腰部加上虚继承。
在这里插入图片描述

8. 菱形虚拟（virtual)继承的底层 - 对象模型：

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;//static int _a;
};//int A::_a = 0;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._a = 0;d.B::_a = 1;d.C::_a = 2;d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;return 0;
}
  • B 和 C 分别继承 A，D继承了 B 和 C

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
8. 1 菱形虚继承的底层 - 对象模型：

虚继承解决了数据冗余和二义性，同时节省空间
比如：_a很大呢，比如_a[4000]，大大减少空间。。

class A
{
public:int _a;//static int _a;
};//int A::_a = 0;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;
};

在这里插入图片描述

虚继承后，Sizeof(B）中会多一个虚基表指针，指向一个虚基表，所以对象模型大小为12

原因分析：

  • 菱形虚继承调整了对象的模型。
  • 发现B和C对象的开头都存了一个指针， 这种对象模型是省了四个字节（_a），却又增加了两个指针（八个字节），反而变大了四个字节。
    在这里插入图片描述
    虚继承的优点：

因为不同的编译的设计的不同，A对象存储的位置也会不一样，但是只要有指针去找偏移量，再通过偏移量去找A就能找到，这是通用的方法，统一模型

  • 这两个表叫做—— 虚基表，存储在静态代码段
  • A叫做虚基类
  • D里面的两个指针叫做虚基表指针，会各占用4个字节的指针位置
  • 虚基表中存的偏移量，通过偏移量可以找到下面的A

强烈不推荐使用菱形继承

9.继承的总结和反思

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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 。

尾声
看到这里，相信大家对这个C++有了解了。
如果你感觉这篇博客对你有帮助，不要忘了一键三连哦

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