C++ 继承篇

面向对象语言的三大特性：封装，继承和多态

根据目前学到的知识，对于封装的理解，大致有两层：

  1. 将数据和方法封装，不想让外面看到用private/protected修饰，想让外面看到用public修饰
  2. 类型的行为不满足我们的需求，将类型封装，自主规定类型的行为，比如list迭代器，反向迭代器

从现在开始，进入继承的学习

1. 继承的概念和定义

1.1 继承的概念

有这样的场景，你要完成一个学生管理系统，必然需要描述很多的对象，于是构建很多类，每个类代表不同的群体，比如学生类、老师类、宿管类…定义出来后，发现每个类中都有某些属性是相同的，比如大家都有名字、年龄、性别这样的属性，在每个类中都定义了一遍，显然代码冗余，于是就有了继承

将每个类的公共属性提取出来，单独作为一个类，称为父类/基类；每个群体中持有它们独有的属性，叫做子类/派生类，通过继承的方式，将父类继承给子类，这样子类就有父类的属性和自身独有的属性

在这里插入图片描述

继承是面向对象语言中代码复用的一种重要手段，它允许我们保持原有类的特性，增加新的功能，这样产生的类叫做派生类

1.2 继承的定义

在这里插入图片描述

三种的继承方式+访问限定符决定了在派生类中访问基类成员的方式

规律十分简单，如果是基类的private成员，那么不管何种继承方式，都不能在派生类中直接使用

其他情况，按照public > protected > private的顺序，基态成员在派生类中的修饰方式，按照继承方式和基态类成员修饰符当中最小值

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

在实践中，一般不会对基类成员进行private修饰和private继承

struct的默认继承方式和限定符都是共有；class的默认继承方式和限定符都是私有

2. 基类和派生类赋值转换

C语言中，相关类型之间可以发生隐式类型转换，中间会产生临时变量，C++中延续了这种语法

不相关类型间不能隐式类型转换，但对于基类和派生类，可以发生赋值转换，中间不会产生临时变量，它由编译器特殊处理

对于public继承，每一个派生类对象都是一个特殊的基类对象，这种赋值转换也叫做切割/切片

在这里插入图片描述

  • 派生类对象可以赋值给基类对象/引用/指针
  • 基类对象不能赋值给派生类对象
int main()
{Student s;Person p = s;Person* ptr = &s;Person& ref = s;// 没有产生临时变量，因此可以不加constptr->_name += 'x';ref._age = 1;return 0;
}

在这里插入图片描述

3. 继承中的作用域

  • 继承体系中，基类和派生类有自身独立的作用域
  • 如果基类和派生类有同名成员变量，派生类中默认访问的是自身的，可以通过显示调用访问基类的；该同名变量构成隐藏，也叫重定义
  • 如果是成员函数的隐藏，只要函数名相同就构成隐藏
class Person
{
protected:string _name;int _num = 111;
};class Student : public Person
{
public:void func(){cout << _num << endl;// 默认是自身的成员变量cout << Person::_num << endl;// 指定父类中的成员变量}protected:int _num = 222;
};int main()
{Student s;s.func();return 0;
}

class Person
{
public:void func(int i = 1){cout << "fun(int i)" << endl;}protected:string _name;int _num = 111;
};class Student : public Person
{
public:void func(){Person::func(10);cout << "fun()" << endl;}protected:int _num = 222;
};int main()
{Student s;s.func();// 调用子类中的func()s.Person::func();// 在子类中调用父类中的func()Person p;p.func();// 调用父类中的func()return 0;
}

4. 派生类的默认成员函数

派生类的成员变量分为两部分：

  1. 父类的成员(看作一个整体)
  2. 自身的内置类型和自定义类型按照跟以前一样的方式

  • 默认构造函数会调用父类的默认构造函数初始化父类的成员，如果父类没有默认构造函数，则必须在初始化列表中显示调用

    class Person
{
public:Person(const char* name):_name(name){cout << "Person()" << endl;}protected:string _name;
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int num):Person(name),_num(num){}protected:int _num;
};int main()
{Student s("zhangsan", 4);return 0;
}

  • 拷贝构造调用父类的拷贝构造完成父类成员的拷贝初始化

    class Person
{
public:Person(const char* name):_name(name){cout << "Person()" << endl;}Person(const Person& p):_name(p._name){cout << "Person(const Person& p)" << endl;}protected:string _name;
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int num):Person(name),_num(num){cout << "Student()" << endl;}// s1(s2);Student(const Student& s):Person(s),_num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}protected:int _num;
};int main()
{Student s1("zhangsan", 4);Student s2(s1);return 0;
}

  • 赋值重载调用父类的赋值重载完成父类成员的初始化

    class Person
{
public:Person(const char* name):_name(name){cout << "Person()" << endl;}Person(const Person& p):_name(p._name){cout << "Person(const Person& p)" << endl;}Person& operator=(const Person& p){if (this != &p){_name = p._name;cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;}return *this;}protected:string _name;
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name = "xxxx", int num = 3):Person(name),_num(num){cout << "Student()" << endl;}// s1(s2);Student(const Student& s):Person(s),_num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}//s1 = s2Student& operator=(const Student& s){if (this != &s){Person::operator=(s);_num = s._num;cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;}return *this;}protected:int _num;
};int main()
{Student s1("zhangsan", 4);Student s2;s2 = s1;return 0;
}

  • 析构函数调用时，会先析构子类的成员，再析构父类的成员；这是为了防止在子类的析构中访问父类的成员，如果先析构父类，就会造成访问非法空间的问题；因此，编译器在构造时，先构造父类，再构造子类；再析构时，会保证先析构子类，再析构父类

    class Person
{
public:Person(const char* name):_name(name){cout << "Person()" << endl;}Person(const Person& p):_name(p._name){cout << "Person(const Person& p)" << endl;}Person& operator=(const Person& p){if (this != &p){_name = p._name;cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;}return *this;}~Person(){cout << "~Person()" << endl;}protected:string _name;
};class Student : public Person
{
public:Student(const char* name = "xxxx", int num = 3):Person(name),_num(num){cout << "Student()" << endl;}// s1(s2);Student(const Student& s):Person(s),_num(s._num){cout << "Student(const Student& s)" << endl;}//s1 = s2Student& operator=(const Student& s){if (this != &s){Person::operator=(s);_num = s._num;cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;}return *this;}~Student(){Person::~Person();cout << "~Student()" << endl;}protected:int _num;
};int main()
{Student s1;return 0;
}

5. 继承与友元

基类的友元函数不是派生类的友元函数，也就是说友元不能继承，基类友元函数不能访问派生类的私有和保护成员

class B;
class A
{
public:friend void func(const A& a, const B& b);protected:int _a;
};class B : public A
{
protected:int _b;
};void func(const A& a, const B& b)
{cout << a._a << endl;cout << b._b << endl;// 编译器报错
}int main()
{A a;B b;func(a, b);return 0;
}

6. 继承与静态成员

基类中的静态成员，不管该基类派生出多少个类，静态成员只有一份，所有派生类使用的都是同一个静态成员

可以根据这个特性，计算基类及其派生类一共创建的个数

class Person
{
public:static int _count;Person(){_count++;}protected:string _name;
};int Person::_count = 0;class Student : public Person
{
protected:int _stdid;
};class Other : public Student
{
protected:int _num;
};int main()
{Person p;Student s;Other o;cout << p._count << endl;// 3cout << s._count << endl;// 3cout << o._count << endl;// 3return 0;
}

7.棱形继承

单继承：一个子类只有一个直接父类时称这种继承关系为单继承

在这里插入图片描述

多继承：一个子类有两个及以上的直接父类时称这种继承关系为多继承

在这里插入图片描述

多继承一般用于一个对象同时是两种类别，比如西红柿，它既是水果，又是蔬菜，继承两个父类是很合理的

但是，有多继承就意味着会出现棱形继承

在这里插入图片描述

棱形继承会导致派生类包含了Other包含了两份Person，产生数据冗余和二义性的问题

在这里插入图片描述

class Person
{
protected:string _name;
};class Student : public Person
{
protected:int _stdid;
};class Teacher : public Person
{
protected:int _jobid;
};class Other : public Student, public Teacher
{
public:void func(){cout << _name << endl;// 编译器报错，不知道访问的是Student还是Teacher中的_namecout << _other << endl;}protected:int _other;
};int main()
{Other o;o.func();return 0;
}

C++早期设计时，认为多继承很合理，但在后续使用中就出现了棱形继承的问题，该如何解决呢？

使用虚拟继承，让基类的第一级的派生类继承时加上virtual关键字，表示虚拟继承

class Person
{
public:int _name;
};class Student : virtual public Person
{
public:int _stdid;
};class Teacher : virtual public Person
{
public:int _jobid;
};class Other : public Student, public Teacher
{
public:int _other;
};int main()
{Other o;o.Student::_name = 6;o.Teacher::_name = 7;o._stdid = 1;o._jobid = 2;o._other = 3;return 0;
}

在这里插入图片描述

使用棱形虚拟继承，在内存中，基类被放到了最下面，变成公共的，同时第一级的派生类中多了指针，该指针指向一个数，表示该类到基类的偏移量

棱形虚拟继承中，基类被叫做虚基类，派生类中的指针叫做虚基表指针，指向一个虚基表，里面存放着基类的偏移量

发生切割/切片时，会有指针偏移，指针指向自身的对象

8.继承总结

关于多继承的面试题：

  1. C++有多继承，为什么java没有？

    C++比java先设计，在当时，多继承看起来十分合理，于是就设计了出来，但是没想到出现了很多问题，导致解决非常麻烦，而且生活中也很少使用；而java吸收了这个教训，在设计时就舍弃了多继承

  2. 多继承的问题是什么？

    多继承本身没有任何问题，但有多继承就可能会写出棱形继承

  3. 棱形继承的问题？如何解决？

    数据冗余，二义性；对第一级的派生类使用虚拟继承

  4. 底层角度是如何解决数据冗余和二义性的？

    将基类放到第一级派生类的后面，派生类中加入虚函数指针，指向虚函数表，存放基类的偏移量

继承和组合：

public继承是一种is-a的关系，比如学生和人，学生是人

组合是一种has-a的关系，比如汽车和轮胎，汽车有轮胎

如果使用继承，基类对象对于派生类是可见的，一定程度上破坏了基类的封装，导致基类和派生类耦合度高

而对于组合，自定义对象成员在其他对象中不可见，类和类之间耦合度低

开发软件时，尽量做到类和类之间低耦合，高内聚，因此如果一个对象既能使用继承描述，又能使用组合组合描述，优先使用组合

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