机械转码日记【24】继承

目录

前言

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 

5.设计一个不能被继承的类

6.继承与友元 ​​​​​​​

7.继承与静态成员 

8.菱形继承与菱形虚拟继承

8.1虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理

9.继承的总结和反思

9.1继承与组合 

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前言

我们刚开始学C++的时候，曾经提到过面向对象的三大特性：封装、继承、多态，在我们前面学习类和对象的时候就已经学习了封装了，今天我们就来学习一下继承。

 先复习一下封装的优点，简单举三个例子：

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。

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;
}

以上的代码我们的学生类和老师类都继承了person这个基类，通过调试功能我们可以看到学生类和老师类都调用了person类的函数，这就体现了继承是类设计层次的复用的这一特性。

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:

1.2.2继承关系和访问限定符 

继承关系有三种：public继承，protected继承，private继承；访问限定符也有三种，public，private和protected。由此我们可以得出9种继承关系。

 这9种继承关系又引起了继承基类成员访问方式的变化：

1.2.3继承基类成员访问方式的变化

 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
{
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
{
public:
	void f()
	{
		_age = 20;//public继承在类内可以访问protected成员，类外不能访问protected成员
	}
protected:
	int _stuid; // 学号
	int _major;//专业
};
 
class Teacher : protected Person
{
public:
	Teacher()
	{
		_name = "jack";//protected继承可以访问基类的protected对象
		Print();//也可以访问public成员
	}
 
protected:
	int _jobid; // 工号
};
int main()
{
	Student s;
	Teacher t;
	s.Print();//public继承可以调用基类public成员
	s._name = "rose";//public继承在类外不可访问protected成员
	return 0;
}

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。

 

需要注意的是，基类对象不能赋值给派生类对象 

3.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。 这说明可以在子类和父类中定义重名的成员，当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） 

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。

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

4.1构造函数 

子类构造函数原则：
a、调用父类构造函数初始化继承自父类成员
b、自己再初始化自己的成员 -- 规则参考普通类

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式调用。

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=完成基类的复制。

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。派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。

但是我们写Student的析构函数的时候，却不能显式调用~Person()函数，当我们把这行代码注释，就能跑起来，真是奇怪

 究其原因，这是父子类的析构函数构成隐藏关系，这是因为多态的需要，析构函数名统一会被处理成destructor()，所以~Person()和~Student()同名，不能这样调用。

指定一下析构函数的类域即可正常运行

当然，我们不用自己显式写出~Person()，因为编译器会自动调用（不管你写不写）：

5.设计一个不能被继承的类

当一个类的构造函数私有化之后，就不能被继承

 你可能会注意到这个时候A类自己也不能构造对象了：

这个时候的解决方法就是在A类中添加一个公有的函数，这个函数可以创建A对象，并且这个函数是静态的，不需要A类对象就可以直接调用。

6.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

 要想解决也很简单，只需要将Display也定义成子类的友元即可：

7.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; // 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
};
 
int main()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
 
	return 0;
}

运行结果如下：

8.菱形继承与菱形虚拟继承

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。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
void Test()
{
	// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
	Assistant a;
	a._name = "peter";
	// 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
	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
}

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 Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};
class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};
class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};
class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	string _majorCourse; // 主修课程
};
void Test()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter";
}

8.1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：

菱形继承： 

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;
}

通过VS调试调用内存窗口可以看到，如果不使用虚拟菱形继承，会出现冗余性，五个变量分别占用五个内存：

 现在我们再来试一下虚拟菱形继承：

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;
}

下图是菱形虚拟继承的内存对象成员模型：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。

// 有童鞋会有疑问为什么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;

9.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。

9.1继承与组合 

 何谓组合呢？

//组合
class A
{
 
};
 
class B
{
protected:
	A a;
};

如果是继承，代码就会下面这样：

class A
{
 
};
 
class B :public A
{
 
};

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。

 应该优先使用组合，而不是使用继承

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。