再谈c++中的继承

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。

class Person
{
public:void Print(){cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}
protected:string _name = "peter"; // 姓名int _age = 18; // 年龄
};
// 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。调用
//Print可以看到成员函数的复用。
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;
}

继承的方式

在这里插入图片描述
由上图可以看出，Person是基类也是父类，Student是派生类也叫子类。

继承基类成员访问方式的变化

类成员/继承方式public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private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private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

总结

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 == 成员在基类的访问限定符，继承方式中最小的权限，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。

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。
  • 基类对象不能赋值给派生类对象
  • 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。这里基类如果是多态类型，可以使用RTTI(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。
  • 可以让基类的指针或者引用直接引用子类的对象，不能直接使用子类的指针或引用去指向基类对象，必须要强制类型转换。
    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;//2.基类对象不能赋值给派生类对象//sobj = pobj;// 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;pp = &pobj;Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问题ps2->_No = 10;
}

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，这种情况叫同名隐藏，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. 如果成员变量同名----->与成员变量类型是否相同无关
  4. 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。
  5. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员变量。
// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系
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();
};// B中的fun和A中的fun不是构成重载，因为不是在同一作用域
// B中的fun和A中的fun构成隐藏，成员函数满足函数名相同就构成隐藏。
class A
{
public:void fun(){cout << "func()" << endl;}
};
class B : public A
{
public:void fun(int i){A::fun();cout << "func(int i)->" << i << endl;}
};
void Test2()
{B b;b.fun(10);
};

派生类的默认成员函数

6个默认成员函数

  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。
    • 基类如果没有显示定义构造函数，子类也可以不用定义
    • 基类具有无参或者全缺省的构造函数，子类也可以不用定义，除非需要做特定的事情。
    • 如果基类具有带参数的构造函数(不是全缺省)，则派生类的构造函数必须显示提供，而且要在其初始化列表的位置，显示的调用基类的构造函数。
  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。
    • 基类如果没有定义，子类也可以不用定义—两个类采用默认的拷贝构造函数----前提:类中不会涉及到资源管理(深拷贝)
    • 基类如果显示定义了自己拷贝构造函数，派生类也必须要显示定义，而且要在其初始化列表的位置显式调用。
  3. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
    • 如果基类没有定义，派生类也可以不用提供，除非派生类需要在赋值期间做其他操作，根据情况给出。
    • 如果基类定义赋值运算符重载，一般情况下派生类也要给出，而且要在其中调用基类的赋值运算符重载。
  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。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

/*
构造次序派生类构造函数():基类构造函数()()析构次序:派生类析构函数(){//释放派生类资源//编译器在派生类析构函数最后一条有效语句后插入了一条汇编代码call 基类析构函数}
*/

class Person
{
public:Person(const char* name = "小芳"): _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, 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){cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;if (this != &s){Person::operator =(s);_num = s._num;}return *this;}~Student(){cout << "~Student()" << endl;}
protected:int _num; //学号
};
void Test()
{Student s1("门", 18);Student s2(s1);Student s3("神", 17);s1 = s3;
}

在这里插入图片描述

实现一个不能被继承的类

// C++98中构造函数私有化，派生类中调不到基类的构造函数。则无法继承
class NonInherit
{
public://成员函数需要通过对象来调，但是现在创建不出对象//所以设置称为静态的，可以通过类名::来调用static NonInherit GetInstance()
{return NonInherit();
}
private://因为基类构造函数访问权限是private，其在子类中不能直接被调用//因此派生类的构造函数无法生成NonInherit(){}
};
// C++11给出了新的关键字final禁止继承
class NonInherit final
{};

友元关系不能继承，也就是说基类友元不能访问基类的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);
}

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; // 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;Student s3;Graduate s4;cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;Student::_count = 0;cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}

在这里插入图片描述

菱形继承及菱形虚拟继承

单继承

一个类只有一个基类
在这里插入图片描述

多继承

一个类有多个基类(至少是两个)
在派生类对象模型中，将多个基类中的成员变量全部继承到子类的对象中。注意:基类中成员在子类对象中的排列次序与继承列表的次序一致
在这里插入图片描述

菱形继承

在这里插入图片描述
可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题。在D的对象中B成员会有两份。

class B
{
public:int _b;
};
class C1 :public B
{
public:int _c1;
};
class C2 : public B
{
public:int _c2;
};
class D:public C1 ,public C2
{
public:int d;
};
int main()
{cout << sizeof(D) << endl;D d;//d._b = 1;//菱形继承的缺陷，存在二义性的问题system("pause");return 0;
}

从模型中可以看出D对象中有两个_b

D d;
d._b = 1;//报错 二义性问题
解决方式:

让其访问明确

  1. 加上基类的作用域
d.C1::_b = 1;
d.C2::_b =3;
  1. 让B类中成员在D类中只存一份

    派生类D的对象不会非常大—比较节省空间
    也不会存在二义性问题

菱形虚拟继承

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C1和C2的继承B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 B
{
public:int _b;
};
class C1 :virtual public B
{
public:int _c1;
};
class C2 :virtual public B
{
public:int _c2;
};
class D:public C1 ,public C2
{
public:int d;
};
int main()
{cout << sizeof(D) << endl;D d;d._b = 1;system("pause");return 0;
}

发现对象中多了4个字节

虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

普通的单继承,对象模型是基类在上，派生类在下，虚拟继承派生类在上，基类在下，对象多了4个字节，在构造期间填充进去。

前4个字节是什么

class B
{
public:int _b;
};
class D :virtual public B
{
public:int _d;
};
int main()
{cout << sizeof(D) << endl;D d;d._b = 1;d._d = 2;system("pause");return 0;
}

内存窗口，前四个字节在创建完对象后，就有了，所以前4个字节一定是在构造函数时赋值。这个构造函数是由编译器生成的默认构造函数
在这里插入图片描述
从汇编代码中来思考前4个字节是干什么用的
main函数里的代码转汇编

D d;push        1  lea         ecx,[d]  call        D::D (013311FEh)  
d._b = 1;mov         eax,dword ptr [d]  //取对象前4个字节中的内容mov         ecx,dword ptr [eax+4] //ecx<-----8 mov         dword ptr d[ecx],1  //把1赋值到d对象往后偏移8个字节的位置d._d = 2;mov         dword ptr [ebp-10h],2

可以得出对象的前4个字节就是一个地址派生类对象起始位置相对于基类部分的偏移量
在这里插入图片描述

为什么要偏移量？在对象模型中子类对象为什么要在基类上面？

一般不用虚拟继承，只有出现菱形继承时，为了解决二义性问题才出现了虚拟继承。
在这里插入图片描述

D d;
d._b = 1;
d._d = 2;

在这里插入图片描述
通过偏移量表格访问最顶层基类中成员(第一个基类中的偏移量表格)

继承总结

  1. 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 。
  • 继承允许你根据基类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。
class A
{
public:A(int a):_a(a){}void SetA(int a){_a = a;}int GetA(){return _a;}
protected:int _a;
};//B和A的关系:is -a
class B :public A
{
public:B(int a, int b):A(a), _b(b){}void SetB(int b){_b = b;}int GetB(){return _b;}
protected:int _b;
};
//组合:C类中包含有一个A类的对象
class C
{
public:C(int a, int c):_a(a), _c(c){}void SetC(int c){_c = c;}void SetA(int a){_a.SetA(a);}int GetC(){return _c;}
private:A _a;int _c;
};
int main()
{B b(1,2);b.SetA(10);C c(1, 2);c.SetA(2);system("pause");return 0;
}

继承就像是老爹，强耦合，离不开
组合就像是小三，不爱了，就离开

问题

  1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
    两个单继承+一个多继承
    会出现二义性问题，最顶层基类的成员在最下层子类中会出现两份。
  2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
    在继承权限前+virtual关键字，
    第一个是让访问明确，第二个是让基类的成员在子类中只存在一份，就是菱形虚拟继承
  3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？
    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。
    实现多态时必须用继承，其余情况下尽量使用组合，因为高内聚低耦合
  4. 多继承中指针偏移问题？
class Base1 {
public:int _b1;
};
class Base2 {
public:int _b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:int _d;
};
int main()
{// A. p1 == p2 == p3// B. p1 < p2 < p3// C. p1 == p3 != p2// D. p1 != p2 != p3Derive d;Base1* p1 = &d;Base2* p2 = &d;Derive* p3 = &d;return 0;
}

在这里插入图片描述

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