C++继承
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。
比如说:下面的Stuent和Teacher类就继承了Person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;
};
int main()
{
Student s;
Teacher t;
s.Print();
t.Print();
return 0;
}
继承后,父类Person的成员(成员函数+成员变量)都会变成子类的一部分。这里就体现出了Student和Teacher复用了Person的成员。
下面我们通过监视窗口查看一下Student和Teacher对象。
这里我们可以看到成员变量的复用。
下面我们再来调用Print函数看一下
这里我们可以看到成员函数的复用。
继承的定义
定义格式
继承定义格式如下:
注意: 这里的Person是父类,也称作基类。Student是子类,也称作派生类。
继承关系和访问限定符
继承基类成员访问方式的变化
因为继承方式和访问限定符都各有三种,因此一个基类当中被不同访问限定符修饰的成员被派生类以不同的继承方式继承下去之后,该成员最终在派生类中就会呈现出不同的访问方式。
类成员/继承方式 | publi继承 | protected继承 | private继承 |
---|
基类的public成员 | 派生类的public成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的私有成员 | 基类的protected成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的protected成员 | 派生类的私有成员 | 基类的private成员 | 在派生类中不可见 | 在派生类中不可见 | 在派生类中不可见 |
大家在学校如果上过C++的课,老师肯定会在继承这一块让大家标注为重点,并且让大家去记一下上面的这幅图。
大家就直接硬记其实是很难受的,我们对上面的表格进行一下总结就会发现, 基类的私有成员在子类中都是不可见的。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),其中我们可以认为三种访问限定符的权限大小为:public > protected > private。
我想大家现在肯定有一个问题:基类的私有成员在子类中都是不可见的,这句话到底是什么意思?
我们先来看一段代码:
class Person
{
public:
void Print()
{
cout << "name:" << _name << endl;
cout << "age:" << _age << endl;
}
private:
string _name = "peter";
int _age = 18;
};
class Student :public Person
{
public:
void Print()
{
cout << "age:" << _age << endl;
}
protected:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
通过上面这段代码我们就可以知道:
- 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。
- 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。
注: 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。
默认继承方式
在前面学访问限定符的时候我们知道,struct的默认访问权限为public,class的默认访问权限为private,我们可以不指定访问权限。当我们在使用继承的时候我们也可以不指定继承方式,使用关键字class时默认的继承方式时private,使用struct时默认的继承方式是public。
下面我们通过代码来看一下:
关键字为class的派生类所继承的基类成员_name与_age的访问方式变为private
class Person
{
protected:
string _name = "peter";
int _age = 18;
};
class Student:Person
{
public:
void Print()
{
cout << "_age:" << _age << endl;
cout << "_name:" << _name << endl;
}
protected:
int _stuid;
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
注意: 虽然我们这里继承方式和访问限定符类似,public类和class类可以不指定访问限定符,使用关键字class和struct继承时可以不指定继承方式,但是我们最好还是写出继承方式。
基类和派生类对象赋值转换
下面我们来讲一下赋值兼容规则 :派生类的对象可以赋值给基类的对象 、基类的指针 以及基类的引用 。在这个过程中,会发生基类和派生类对象之间的赋值转换。
下面我们通过代码来介绍一下赋值兼容规则
class Person
{
public:
string _name;
string _sex;
int _age;
};
class Student :public Person
{
public:
int _No;
};
int main()
{
Person p;
Student s;
s._name = "张三";
s._sex = "男";
s._age = 18;
p = s;
Person* ptr = &s;
Person& ref = s;
return 0;
}
其中在我们的代码中出现了以下逻辑:
Person p;
Student s;
p = s;
Person* ptr = &s;
Person& ref = s;
对于上面的这种做法,有个形象的说法叫做切片或者切割,寓意把派生类中从父类继承的那部分切来赋值过去。
下面我们通过图片的方式来给大家展示展示一下切片:
注意: 基类对象不能赋值给派生类对象,即使是强转了也不行。基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针,但是必须是基类的指针是指向派生类对象时才是安全的。
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。那如果我们在子类和父类的作用域中定义了同名成员会发生什么情况呢?
下面我们来看一段代码:
class Person
{
protected:
string _name = "小李";
int _num = 111;
};
class Student :public Person
{
public:
void Print()
{
cout << "姓名:" << _name << endl;
cout << "学号:" << _num << endl;
}
protected:
int _num = 999;
};
int main()
{
Student s;
s.Print();
return 0;
}
大家觉得这段代码_num最终打印出来的值是111还是999呢?
我们一起来看一下运行结果:
可以看到_num最终打印出来的值是999.
那我们要是想调用父类中的_num应该怎么做呢?
我们只需 指定作用域 即可。
cout << "身份证号:" << Person::_num << endl;
下面我还有一个问题:那如果我们在子类和父类的作用域中定义了同名函数,然后我们去调用它此时会发生什么呢?
下面我们来看一段代码:
class A
{
public:
void fun()
{
cout << "func()" << endl;
}
};
class B :public A
{
public:
void fun(int i = 0)
{
cout << "void fun(int i)" << endl;
}
};
void Test()
{
B b;
b.fun();
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
大家觉得最终的打印结果会是什么呢?下面我们一起来看一下打印结果
可以看到最终打印了子类中的fun函数。
那我们要是想调用父类中的fun函数应该怎么做呢?
同样的我们只需 指定作用域 即可。
b.A::fun();
可能会有一些小伙伴认为父类和子类的fun函数构成了函数重载,其实并不是构成了函数重载,而是构成了隐藏 函数重载是要求在同一作用域里面,函数名相同参数个数、参数类型、参数顺序三者有一个满足即构成重载。
对于上面的这两种情况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) 如果是成员函数的隐藏,只需要函数名相同就构成隐藏。
总结: 为了避免出现上面的问题,在继承体系里最好不要定义同名成员。
派生类的默认成员函数
默认成员函数,意思就是指我们不写,编译器会帮我们自动生成的函数,类中的默认成员函数有如下六个:
下面我们来看一下派生类的默认成员函数
我们以下面Person这个类作为父类:
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)
{
if (this != &p)
{
_name = p._name;
}
cout << "Person& operator=(const Person& p)" << endl;
return *this;
}
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
protected:
string _name;
};
我们用Student类来作为我们的派生类,Student类中的默认成员函数的基本逻辑如下:
构造函数
Student(const char* name,int num)
:Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
构造函数这里我们调用父类的构造函数,去初始化子类从父类继承下来的那部分成员,然后再来初始化自己的成员。
拷贝构造
Student(const Student& s)
:Person(s)
, _num(s._num)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
构造函数这里我们调用父类的拷贝构造,去拷贝构造子类从父类继承下来的那部分成员,然后再来拷贝构造自己的成员。我们这里调用父类的拷贝构造时,其实是一个切片行为 ,都是将派生类对象直接赋值给基类的引用。
赋值运算符重载
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
赋值运算符重载这里我们就需要注意了,虽然和上面逻辑一样都是先去调用父类的赋值运算符重载,去完成子类从父类继承下来的那部分成员的赋值。但是我们不要忘了,子类的赋值运算符重载和基类的赋值运算符重载是同名的, 它们构成隐藏 ,因此我们想调用父类的赋值运算符重载时,我们需要指定作用域 。我们这里调用父类的赋值运算符重载时,其实是一个切片行为 ,都是将派生类对象直接赋值给基类的引用。
析构函数
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
析构函数这里它有一点特殊 ,因为后面多态的一些原因,任何类析构函数名都会被统一处理成destructor() ,编译器认为子类的析构函数和父类的析构函数构成隐藏 。因此我们如果想调用父类的析构函数,我们需要指定作用域。但是呢, 编译器为了保证析构时,保持先子再父的后进先出的顺序析构,子类析构函数完成后,会自动去调用父类的析构函数。
下面用一幅图来表示在子类中子类与父类构造和析构的顺序。
子类代码:
class Student :public Person
{
public:
Student(const char* name,int num)
:Person(name)
, _num(num)
{
cout << "Student()" << endl;
}
Student(const Student& s)
:Person(s)
, _num(s._num)
{
cout << "Student(const Student& s)" << endl;
}
Student& operator=(const Student& s)
{
if (this != &s)
{
Person::operator=(s);
_num = s._num;
}
return *this;
}
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
protected:
int _num;
};
总结:
- 派生类的构造函数会自动先去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=完成基类的赋值。
- 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。
继承和友元
友元关系不能被继承 ,也就是说基类友元可以访问基类的私有和保护成员,但是不能访问子类的私有和保护成员
例如,下面代码中Display函数是基类Person类的友元函数,但是Display函数不是派生类Student类的友元
class Student;
class Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
string _name;
};
class Student :public Person
{
protected:
int _num;
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
cout << p._name << endl;
cout << s._num << endl;
}
int main()
{
Person p;
Student s;
Display(p, s);
return 0;
}
可以看到此时我们的Display函数是不能够访问派生类Student类中的私有和保护成员的。
那我们如果想访问派生类中的私有和保护成员应该怎么做呢?
如果Display函数想访问子类的私有和保护成员,我们只需要在子类将Display声明称友元函数即可。
class Student :public Person
{
public:
friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
int _num;
};
继承与静态成员
在基类中定义了一个static静态成员变量,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 。
例如,在基类Person类中定义了静态变量_count,然后Person又派生出了两个子类Student与Graduate。尽管Person又派生了两个子类,但是在这个继承体系中始终只有一个静态变量 _count。
我们想一个问题:如果我们想统计基类和派生类实例化对象的个数,我们应该如何设计呢?
其实很简单,基类和派生类实例化对象无非是通过构造函数和拷贝构造,而派生类调用构造和拷贝构造时需要先调用基类的构造和拷贝构造,因此我们只需要通过静态成员变量_count,在子类或者父类实例化对象调用父类的构造和拷贝构造时进行自增即可。
class Person
{
public:
Person()
{
_count++;
}
Person(const Person& p)
{
_count++;
}
protected:
string _name;
public:
static int _count;
};
int Person::_count = 0;
class Student : public Person
{
protected:
int _stuNum;
};
class Graduate : public Student
{
protected:
string _seminarCourse;
};
void fun(Student s)
{}
int main()
{
Person p;
Student s1;
Student s2;
Graduate s3;
fun(s1);
cout << Person::_count << endl;
cout << Student::_count << endl;
cout << Graduate::_count << endl;
return 0;
}
打印结果:
可以看到我们最终实例化了5个对象,并且Person、Student以及Graduate中的_count是同一个变量。
菱形继承及菱形虚拟继承
继承方式
- 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: 一个子类有两个或者两个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
从菱形继承的模型构造就可以看出,菱形继承有数据冗余和二义性问题。
例如,对于上面菱形继承的模型,当我们实例化出一个Assistant对象后,访问成员时就会出现二义性的问题
class Person
{
protected:
string _name;
};
class Student:public Person
{
protected:
int _num;
};
class Teacher:public Person
{
protected:
int id;
};
class Assistant :public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse;
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "张三";
return 0;
}
在该继承体系中,Student类和Teacher类都是继承自Person类的,因此它们当中都有一个_name成员,而此时Assistant类又继承了Student类与Teacher类,此时就会导致在Assistant类中有两份 _name成员,因此当我们访问Assistant类中的 _name成员时就会出现二义性的问题。
那么问题来了:我们如何解决这个问题呢?
当我们要访问Assistant类中的_name成员时,只需要指定我们想访问哪个父类中的 _name成员即可
a.Student::_name = "李四";
a.Teacher::_name = "王老师";
虽然我们可以通过这种方法解决菱形继承中二义性的问题,但是我们不能解决数据冗余的问题,在Assistant对象中Person的_name成员始终会存在两份。
菱形虚拟继承
为了解决菱形继承带来的二义性和数据冗余问题,C++又引入了菱形虚拟继承,上面的数据二义性和数据冗余问题我们都可以通过菱形虚拟继承来解决。
下面我们一起来看一下菱形虚拟继承的代码
class Person
{
public:
string _name;
};
class Student: virtual public Person
{
protected:
int _num;
};
class Teacher: virtual public Person
{
protected:
int id;
};
class Assistant :public Student, public Teacher
{
protected:
string _majorCourse;
};
int main()
{
Assistant a;
a._name = "张三";
return 0;
}
此时我们再去访问Assistant对象中的_name成员时,就不会出现二义性的问题了。并且当我们打印Assistant类、Student类以及Teacher类中的 _name的地址时,显示的也是同一个地址,解决了数据冗余的问题。
int main()
{
Assistant a;
cout << &a._name << endl;
cout << &a.Student::_name << endl;
cout << &a.Teacher::_name << endl;
return 0;
}
打印结果:
菱形虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
为了研究菱形虚拟继承的原理,我们给出一个简化的菱形继承的继承体系,然后再借助内存窗口来观察对象成员的模型
测试代码如下:
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::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
下面我们通过调用内存窗口来查看一下D类对象中的各个成员在内存当中的分布情况吧
也就是说,D类对象中的各个成员在内存中的分布是这样的:
通过这幅图,我们就可以明白为什么菱形继承会导致二义性和数据冗余的问题,主要原因就是因为D对象中有两个_a成员。
下面我们给出一个简化的菱形虚拟继承的继承体系,然后再借助内存窗口来观察对象成员的模型
测试代码如下:
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()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
下面我们通过调用内存窗口来查看一下D类对象中的各个成员在内存当中的分布情况吧
我们可以看到在菱形虚拟继承中D类对象当中的_a成员此时只有一份并且被放到了最下面。这个 _a是同时属于B和C的,那么B和C如何去找到公共的 _a呢?这里是通过B和C的两个指针,指向的一张表。这两个指针叫做虚基表指针 ,这个表叫做虚基表 。
在虚基表中包含两个数据,其中第一个数据是为多态的虚表预留的存偏移量的位置(在这里我们不关心),第二个数据就是当前类对象位置距离公共虚基类的偏移量。
也就是说,此时D类对象中的各个成员在内存中的分布是这样的:
现在可能会有同学有一个疑问:为什么D中的B和C要去找属于自己的A呢?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
int main()
{
D d;
B b = d;
C c = d;
}
虽然虚继承,补了菱形继承的坑,但是也付出了很大的代价:
- 对象模型变得更复杂了,学习理解成本很高
- 有一定效率影响。
继承的总结和反思
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OO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。
比如说,车类和宝马类、奔驰类就是is-a的关系,它们之间适合使用继承。
class Car
{
protected:
string _colour;
string _num;
}
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;
}
}
而我们的轮胎和车之间就是has-a的关系,它们之间适合使用组合。
class Tire
{
protected:
string _brand;
size_t size;
}
class Car
{
protected:
string _colour;
string _num;
Tire _t;
}
这个时候可能就会有人问了:那什么时候使用组合什么时候使用继承呢?如果既能使用组合又能使用继承的时候我们应该使用什么呢?为什么?
当两个类之间的关系是is-a 的关系就使用继承 ,当两个类之间的关系是has-a 的关系就使用组合 。如果两个类之间的关系既可以看作is-a又可以看作has-a ,优先使用组合 而不是继承。
原因如下:
- 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。
- 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。
- 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。
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,然后又有一个子类来继承这两个子类,我们称这种继承为菱形继承。 菱形继承会导致子类对象中有两份父类的对象的成员,从而导致二义性和数据冗余的问题 。 -
什么是菱形虚拟继承?如何解决数据冗余和二义性的?
菱形虚拟继承是指在菱形继承模型中的腰部使用虚拟继承的继承方式 ,菱形虚拟继承对于D类对象当中重复的A类成员只存储一份,并将该成员放到了对象组成的最下面。然后采用虚基表和虚表指针使得D类对象中B类和C类找到自己继承的A类成员,如此便解决了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,组合是一种has-a的关系。当两个类之间是is-a的关系,则使用继承;当两个类之间是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是is-a的关系又可以看作是has-a的关系,优先使用组合。
|