[C++知识库]C++进阶之继承

目录

一，继承的概念及定义

? ? ? ?继承的概念

二，继承的定义

三，基类和派生类对象赋值转换

? ? ? ?为什么只能公有继承才能切割，私有和保护继承都不行？

四，继承中的作用域

? ? ? ?小测试

五，派生类的默认成员函数

六，继承与友元

七，继承与静态成员

八，复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

? ? ? ?虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

九，继承的总结和反思

一，继承的概念及定义

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。

继承的本质是一个复用，之前复用最多的地方是函数中复用，继承则体现在类。

假设我设计老师与学生这两个类，发现他俩具共同有的，有都有自己独立拥有的，如果我们像下图一样再写一遍，就会造成代码冗余

为了解决这个问题就需要用到继承，我们可以用一个Person类存放他俩公有的，用Person链接teacher和student，这样就保证了student和teacher可以用Person中的信息

这个Person就叫做父类或者基类，student和teacher就叫做子类或者派生类。体现在语法上就是

?继承不仅会继承父类的成员变量还会继承父类的成员函数

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18; // 年龄
};

class Student : public Person
{
protected:
	int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _jobid; // 工号
};
int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.Print();
	t.Print();
	return 0;
}

继承成员变量

?继承成员函数

二，继承的定义

定义格式：

继承关系和访问限定符：?

继承之后，基类成员访问方式的变化

• 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。

对于父类中的_aa,虽然子类继承了，但是在子类类里面或者是类外面都不能去用这个_aa

?私有成员的意义就是父类有一个成员不想给子类用，就定义成私有，想给子类使用就定义成公有或者保护。对于编译器来说继承下来不可用反而是简单的，不继承下来反而是复杂的，所以编译器就都继承下来，是否可用则通过语法限制

• 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。

• 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。
• 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。

eg:这里没写继承方式就默认是私有继承，对于Student来说，继承下来的成员变量和成员函数在Student这个类中就都是私有的，类外面就不允许访问。例如Person类中的Print成员函数，就不能去访问它了。

但是这并不会影响到派生类去访问基类中的public成员和protected成员，也不会影响类外面去访问派生类的public成员。

struct默认继承就是public

• 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。

三，基类和派生类对象赋值转换

四，继承中的作用域

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:
protected:
	int _num; //学号
    string _a;
};

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)
	{
		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 = "李四", int num = 1)
		:_num(num)
		,Person(name)
	{}

	Student(const Student& s)
		:Person(s) //这里运用的就是切片
		, _num(s._num)
	{}

	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			Person::operator=(s); //切片
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	 
	~Student()
	{
		
	}

protected:
	int _num=1; //学号
};

总结：子类自己的成员就按照普通类的方式处理，继承的父类的成员就要调用父类几个默认成员函数处理。

六，继承与友元

友元关系不能继承，也就是说父类友元不能访问子类私有和保护成员?

eg：对于这段代码，父类的友元函数就不能去访问子类成员

class Student; //像函数声明一样，Student在下面，而我们当前就使用需要声明一下
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;
}

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

如果想要去访问子类的需要在子类中也声明下Display也是子类的友元。

class Student; 
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; // 姓名
};

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

void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;
	cout << s._stuNum << endl;
}

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

七，继承与静态成员

eg:

class Person
{
public:
	Person() 
	{ 
		++_count;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
class Graduate : public Student
{
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Graduate s3;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	cout << " 人数 :" << Student::_count << endl;
	cout << " 人数 :" << Graduate::_count << endl;

	cout << &Person::_count << endl;
	cout << &Student::_count << endl;
	cout << &Graduate::_count << endl;

	Person::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;

}
int main()
{
	TestPerson();
}

八，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

?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。

?eg:

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	int _num; //学号
};
class Teacher : public Person
{
public:
	int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
public:
	string _majorCourse; // 主修课程
};

访问_id,_num都没有问题，但是访问_name就出现了问题，因为_name有两份，这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个。

我们可以通过指定作用域解决

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。

假设Person类中有一个存储40000字节的数组。

Assistant继承下来以后就有了80000个字节，我的本意就是存40000个字节，但是现在有多了40000个，这样空间就浪费了。

所以为了解决上述问题，C++又推出了一个新的语法虚继承，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 Student : virtual public Person
{
public:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
public:
	int _id; // 职工编号
};

访问的_name都是同一个都是Person类中的_name;?并且也没有数据冗余。

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

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。

class A
{
public:
	int _a;
};
//class B : public A
class B : virtual public A 
{
public:
	int _b;
};
//class C : public A
class C : virtual public A 
{
public:
	int _c;
};
class D : public B, public C 
{
public:
	int _d;
};
int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	d._a = 0;
	return 0;
}

首先我们进入监视窗口，输入&d,并且将列调成4（ 这里内存窗口调成四列代表一行有四个字节。）

不使用虚继承的内存窗口：通过这个内存窗口发现，先继承的B是排在后继承的C的前面，最后继承的D在最后?eg:如果先继承C,再继承B，C就排在B的前面

使用虚继承的内存窗口：

针对B与C里面的_a,使用的空间变成同一块

之前B里面有份_a,C里面也有份_a,这样就会有数据冗余和二义性，从实际的角度来说把_a放B里面和放C里面都不好,所以就把他放在一个公共的地方(就好比一家人只有一辆汽车，放在老大家不好，放在老二家也不好，所以把这辆车放在父母家，谁要用，谁就去拿)

其他成员

我们发现多了两个东西

由于我们的机器是小端字节序，从右向左读，一个是01017bdc,一个是01017be4.我们在通过一个内存窗口去看。

00000014是16进制换算成10进制就是20，0000000c换成10进制就是12，实际上这个地方存的是偏移量或者叫做相对距离(B和C与公共A的偏移量)

这里可以分析出D对象中将A放到的了对象组成的最下面，这个A同时属于B和C，那么B和C如何去找到公共的A呢？这里是通过了B和C的两个指针，指向的一张表。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。A一般叫做虚基类。

大家可能会有疑问为什么D中B和C部分要去找属于自己的A？那么大家看看当下面的赋值发生时，d是不是要去找出B/C成员中的A才能赋值过去？

 D d;
 B b = d;
 C c = d;

小问题：以下这种情况是菱形继承吗？如果是虚继承应该在哪里进行继承？

答：这种继承也是菱形继承，虚继承应该在B和C的位置继承，解决的是A的数据冗余和二义性?

我们日常在使用中尽量不要定义出菱形继承?

九，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 。另一个缺陷就是没有垃圾回收站(new出来的需要手动释放)

3. 继承和组合

什么是组合呢？

继承的本质就是复用，那么是否还有其他的复用方式呢？这种方式就是组合。

eg：

(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。

eg:子类就是特殊的父类，学生也是个人。

(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。

eg:车与轮胎的关系，眼睛与耳朵的关系

(3)优先使用对象组合，而不是类继承 。（如果符合is-a,就用继承；符合has-a，就用组合；既符合is-a,又符合has-a，优先使用组合而不是继承）

(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)。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。

(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) 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。

(6)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。

组合这么好，可以抛弃继承吗？答案是不可以的，多态就是建立在继承的基础上的。

阅读世界，共赴山海

423全民读书节，邀你共读