一文搞懂C++继承

devtools/2024/9/24 19:38:05/

一文搞懂C++继承

  • 1.继承的概念及定义
    • 1.1继承的概念
    • 1.2 继承定义
      • 1.2.1定义格式
      • 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
  • 2.基类和派生类对象赋值转换
  • 3.继承中的作用域
  • 4.派生类的默认成员函数
    • 4.1 构造函数
    • 4.2 拷贝构造
    • 4.3 赋值重载
    • 4.4 析构函数
  • 5.继承与友元
  • 6. 继承与静态成员
  • 7.复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
  • 8.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

下面代码中的Student类和Teacher类就继承了Person类。

/基类/父类
class Person
{
public:void Print(){cout << "name: " << _name << endl;cout << "age: " << _age << endl;}
protected:string _name = "Peter";int _age = 18;
};class Student : public Person
{
protected:int _stuid;
};class Teacher : public Person
{
protected:int _jobid;
};

在这里插入图片描述

可以看到虽然Student类里面没有_name和_age这两个成员变量，但是这里的Student类定义的对象仍然可以使用父类里面的成员变量和函数，所以Student继承了Person类。

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。
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

1.2.2继承关系和访问限定符

在这里插入图片描述

1.2.3继承基类成员访问方式的变化

在这里插入图片描述
总结：

  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. 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。
  5. 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。
class Person
{
//protected:	//在子类中可见
private:	//在子类中不可见string _name = "Peter";int _age = 18;
};class Student : public Person
{
public:void func(){//在派生类当中访问基类的private成员，error!cout << _name << endl;}protected:int _stuid;
};

当父类中的某些东西不想让父类使用就可以用私有继承或许定义私有成员，但是在实际运用中一般使用都是public继承，基类的成员函数通常定义为public成员变量定义成pretected。

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
class Person
{
protected:string _name; //姓名string _sex;  //性别int _age;     //年龄
};//派生类
class Student : public Person
{
protected:int _stuid;   //学号
};

可以实现以下几种情况。

int main()
{double d = 1.1;int i = d;//隐式类型转换const int& ri = d;Student s;Person p = s;//天然支持的，不存在隐式类型转换Person& rp = s;Person* ptr = &s;return 0;
}

在这里插入图片描述

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。

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）
class Person
{
protected:string _name = "小李子";int _num = 111;
};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;
};

在这里插入图片描述

  1. 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。
class A
{
public:void func(){cout << "func()" << endl;}
};class B : public A
{
public:void func(int i){A::func();cout << "func(int i)" << endl;}
};

在这里插入图片描述

因为基类和子类都有不同的作用域，所以这里并不能构成函数重载，这里实际上是因为函数名相同，所以基类的成员函数被隐藏了。

如果我们希望通过B的对象来访问A类的成员函数也是可以的，但是要指定作用域。

在这里插入图片描述

  1. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

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？

  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。
  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。
  7. 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。
    在这里插入图片描述
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
};

4.1 构造函数

class Student : public Person
{
public:Student(const char* name, int x, const char* address)：_name(name),_x(x),_address(address){}protected:int x;string _address;
};

在这里插入图片描述
但是编译器不允许我们直接初始化父类的成员变量，因为父类有它自己的构造函数，所以，这里特殊规定如果我们想要初始化父类的成员必须在初始化列表位置调用父类的构造函数，可能完成父类成员函数的初始化。

// 子类默认生成的构造
// 父类成员（整体） -- 默认构造
// 子类自己的内置成员 -- 一般不处理
// 子类自己的自定义成员 -- 默认构造
Student(const char* name, int x, const char* address):Person(name),_x(x),_address(address)
{}

4.2 拷贝构造

// 子类默认生成的拷贝构造  赋值重载跟拷贝构造类似
// 父类成员（整体） -- 调用父类的拷贝构造
// 子类自己的内置成员 -- 值拷贝
// 子类自己的自定义成员 -- 调用他的拷贝构造
// 一般就不需要自己写了，子类成员涉及深拷贝，就必须自己实现
Student(const Student& st):Person(st),_x(st._x),_address(st._address){}

同样的道理，这里对于父类的成员变量也要求我们调用父类的成员变量，在初始化列表里的Person(st)是调用父类的拷贝构造Person(const Person& p)而不是初始化的构造函数，因为这里的st类型是Student，这里是基类和派生类对象赋值转换。
在这里插入图片描述

4.3 赋值重载

Student& operator=(const Student& st){if (this != &st){_name = st._name;_x = st._x;_address = st._address;}return *this;}

这样写虽然不会报错，但是这样写是不对的，因为这样写的话只是值拷贝，假如_name是一个指针并且指向了一段空间，那么这样写的话就是浅拷贝就会出错，所以要调用父类的拷贝构造。

Student& operator=(const Student& st){if (this != &st){operator=(st);_x = st._x;_address = st._address;}return *this;}

这里会发生无穷递归，因为子类的赋值函数名和父类的赋值函数名一样，所以，构成隐藏，这里要指定类域调用。

// 子类默认生成的拷贝构造  赋值重载跟拷贝构造类似
// 父类成员（整体） -- 调用父类的拷贝构造
// 子类自己的内置成员 -- 值拷贝
// 子类自己的自定义成员 -- 调用他的拷贝构造
// 一般就不需要自己写了，子类成员涉及深拷贝，就必须自己实现
Student& operator=(const Student& st){if (this != &st){Person::operator=(st);_x = st._x;_address = st._address;}return *this;}

4.4 析构函数

由于多态的某些原因，任何类的析构函数名都会被统一处理为destructor();。因此，派生类和基类的析构函数也会因为函数名相同构成隐藏，若是我们需要在某处调用基类的析构函数，那么就要使用作用域限定符进行指定调用。

如果我们希望显示的调用析构函数需要这样写

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

在这里插入图片描述

所以，析构函数这样写就够了。

// 子类默认生成的析构
// 父类成员（整体） -- 调用父类的析构
// 子类自己的内置成员 -- 不处理
// 子类自己的自定义成员 -- 调用析构
~Student()
{}

子类会自动调用父类中的构造和析构，但是这里多调用了一次父类的构造，这是因为为了保证析构的时候子类比父类先析构，所以，不管写不写，编译器都会自动调用。

为什么先构造的要后面析构

在初始化的时候要先初始化父在初始化子，因为子类构造初始化可能使用父类成员，如果没有初始化父，父类成员就是随机值，因为子类析构有可能会用到父类成员的，先父后子，就可能出问题。

下面是一个例子：

class Student : public Person
{
public://父类的构造会默认调用父类的构造函数//所以我们想要初始化父类的成员变量要在初始化列表调用父类的构造函数//这里规定父类的成员必须调用父类的构造函数初始化Student(const char* name,int num):Person(name),//调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员_num(num)//初始化派生类的成员{	cout << "Student(const char* name,int num)" << endl;}Student(const Student& s):Person(s),//调用基类的拷贝构造函数完成基类成员的拷贝构造_num(s._num) //拷贝构造派生类的成员{cout << "Student(const Student& s)" << endl;}Student& operator=(const Student& s){if (this != &s){Person::operator=(s);//调用基类的operator=完成基类成员的赋值_num = s._num;//完成派生类成员的赋值}cout << "Student& operator=(const Student& s)" << endl;return *this;}//析构函数会被处理为destructor~Student(){cout << "~Student()" << endl;}//子类析构函数完成后,会自动调用父类析构函数,保证先析构字在析构父protected:int _num; //学号
};

在这里插入图片描述

5.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;
class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name;};class Student : public Person
{
protected:int _stuNum;
};void Display(const Person& p, const Student& s)
{cout << p._name << endl;//可以访问cout << s._stuNum << endl;//无法访问
}

如果希望Display函数也能够访问派生类Student的私有和保护成员，需要在写一个友元。

class Student : public Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:int _stuNum;
};

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 。

class Person
{
public:Person(){++_count;}
//protected:string _name;
public:static int _count;
};int Person::_count = 0;class Student : public Person
{
protected:int _stuid;
};class Graduate : public Student
{
protected:string _seminarCourse;
};

在这里插入图片描述
可以看到Person对象里面的成员变量_name和Student的成员变量_name的地址是不一样的说明是不同的变量，但是Person类和Student类当中静态成员_count的地址是一样的说明是同一个静态成员变量。

//实现一个不能被继承的类
class A
{
public:static A GreateObj(){return A();}
private:A(){}
};class B : public A
{};int main()
{//B b;A a = A::GreateObj();
}

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
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 Assisant : public Student, public Teacher
{
protected:int _id;
};

Assistant对象是多继承的Student和Teacher，而Student和Teacher当中都继承了Person，因此Student和Teacher当中都有_name成员，若是直接访问Assistant对象的_name成员会出现访问不明确的报错。

void Test()
{//这样会有二义性无法明确知道访问那一个Assisant a;//加访问限定符进行限制a.Teacher::_name = "张三";a.Student::_name = "李四";
}

这样虽然能够解决二义性的问题，但是不能解决数据冗余的问题。因为_name变量会存在多份
在这里插入图片描述

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 Student : virtual public Person
{
protected:int _num;
};class Teacher : virtual public Person
{
protected:int _id;
};

通过调试窗口可以观察到。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

下面是上面的Person关系菱形虚拟继承的原理解释:
在这里插入图片描述

可以看到这里把Student类和Teacher类的成员变量放到一个公共的区域，这样在使用的时候就是同一个变量。

8.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。
  4. 优先使用对象组合，而不是类继承 。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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 = "陕ABIT00"; // 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";size_t _size = 17;};class Car {
protected:string _colour = "白色"; // 颜色string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号Tire _t; // 轮胎
};

相关笔试面试题

什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？

菱形继承是多继承的一种特殊情况，两个子类继承同一个父类，而又有子类同时继承这两个子类，我们称这种继承为菱形继承。
菱形继承因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致数据冗余和二义性的问题。

继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

继承是一种is-a的关系，而组合是一种has-a的关系。如果两个类之间是is-a的关系，使用继承；如果两个类之间是has-a的关系，则使用组合；如果两个类之间的关系既可以看作is-a的关系，又可以看作has-a的关系，则优先使用组合。


http://www.ppmy.cn/devtools/116635.html

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