C++三大特性之继承

发布于：2025-03-27 ⋅ 阅读:(37) ⋅ 点赞:(0)

1.继承的概念及定义

回忆封装

  1. C++ Stack类设计和C设计Stack对比。封装更好：访问限定符+类的数据和方法放在一起 -> 避免底层接口的暴露，数据更加的安全，程序的耦合性更高
  2. 迭代器的设计，封装了容器底层结构，在不暴露底层结构情况下，提供统一的访问容器的方式。（如果没有迭代器，容器的访问只能暴露底层结构） -> 使用简单，使用成本低
  3. stack/queue/priority_queue — 适配器模式

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 << "person" << endl;
    }
protected:
	int _age;
	string _name;
};
class student:public person
{
protected:
	int _id;
};
int main()
{
	student s;
	s.print();
	return 0;
}

监视窗口截图：

image-20220829221307481

如上图中s中的成员_age和_name就是从person中继承来的成员。

运行结果截图：

image-20220829221715638

从上图中可以看到，子类student继承了来自父类person中的print成员方法。

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。

image-20220829222008218

1.2.2继承关系和访问限定符

继承关系：

  • public继承
  • protected继承
  • private继承

访问限定符：

  • public访问
  • protected访问
  • private访问

1.2.3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

注意：不可见的意思有两层：通过监视窗口无法看到；既不能在类外访问也不能在类内直接访问（使用指针的间接方法可以访问到），但是却占据内存空间。

注意：基类的protected/private成员对于基类来说是一样的，类外面不能访问，但是类里面可以访问；基类的protected/private成员对于派生类来说是不一样的，私有成员不能使用，保护成员可以在类内使用，类外也无法使用。

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. 派生类在定义的时候使用关键字class时默认的继承方式是private，使用struct时默认的继承方式是public，不过最好显式的写出继承方式。

    class person
{
public:
	void print()
	{
		cout << "person" << endl;
	}
protected:
	int _age;
	string _name;
};
class student: person
{
protected:
	int _id;
};
int main()
{
	student s;
	s.print();//此处的函数无法正常被调用，因为print函数属于私有成员方法
	return 0;
}

    在上面的代码中因为class的默认继承方式是private，所以student从person中的成员方法print相当于是student的私有成员方法，在类外不可访问，所以上面的代码无法正常运行。

    class person
{
public:
	void print()
	{
		cout << "person" << endl;
	}
protected:
	int _age;
	string _name;
};
struct student: person
{
protected:
	int _id;
};
int main()
{
	student s;
	s.print();//此处的函数可以正常被调用
	return 0;
}

    在上面的代码中因为子类是用struct调用的，所以默认是公有继承，所以基类的print函数被派生类继承后依旧是公有成员方法，所以可以在类外被直接调用。

  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。

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。

    对象的赋值图示：

    image-20220829231615195

    引用的赋值图示：

    image-20220830095336969

    指针的赋值图示：

    image-20220830095502021

    注意：上面的这些必须是公有继承才可以（保护继承也是不可以的）！

  • 基类对象不能赋值给派生类对象（强制类型转换也无法实现）。

  • 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。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。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	string _sex;  // 性别
	int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	int _No; // 学号
};


int main()
{
	Student s;
	s._name = "张三";
	s._age = 18;
	s._sex = "男";
	//1. 子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	//注意：这个语法是天然支持的，中间并没有发生类型转换
	Person p = s;
	Person& rp = s;//此处可以证明并没有发生隐式类型转换，因为如果发生了隐式类型转换的话就会生成临时对象
	//临时对象具有常性，无法直接进行赋值，需要用const进行修饰
	Person* ptr = &s;
	//注意：&p、&rp、&ptr的值都是一样的，从上面的图中也可以看出来

	//2. 基类对象不能赋值给派生类对象
	//s = p;
	
	//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
	Student* ps1 = (Student*)ptr;
	//这种情况转换是可以的，也不会存在越界访问的风险，因为ptr本来指向的就是一个Student对象s
	Person p2;
	Student* ps2 = (Student*)&p2;
	//这种情况转换虽然语法上也是可以的，但是会存在越界访问的风险（访问_No），因为p2指向的就是一个Person对象

	return 0;
}

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 显式访问）

  3. 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。

    问：下面A和B类的fun函数构成什么关系？

    答：

    class A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "A" << endl;
	}
};
class B :public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "B" << endl;
	}
};

    A::fun和B::fun的关系：隐藏，因为函数名相同。

    问：为什么不是函数重载？

    答：函数重载要在同一作用域。

    问：以下代码的调用结果是什么？

    int main()
{
    B b;
    b.fun();
    b.fun(1);
    return 0;
}

    答：上面的程序会出错，因为B中从A继承来的fun函数已经被隐藏了，如果我们想要显式调用，就必须加上访问限定符，像下面这样进行调用：

    b.A::fun();

  4. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

代码举例：

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
	string _sex;  // 性别
	int _age; // 年龄
	int _num = 111;
    void fun()
    {
        cout << "Person" << endl;
    }
};
class Student : public Person
{
public:
	int _num = 999; 
    void fun()
    {
        cout << "Student" << endl;
    }
};
int main()
{
	Student s;
	cout << s._num << endl;//不加访问限定符，默认访问的是子类中的_num
    cout << Person::s._num << endl;//显式加上访问限定符，此时访问的就是基类中的_num
    s.fun();//不加访问限定符，默认访问的是子类中的fun
    s.Person::fun();//显式加上访问限定符，此时访问的就是基类中的fun
	return 0;
}

执行结果：

image-20220830103349076

4.派生类的默认成员函数

  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。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。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。
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:
	Student(const char* name, int num)
		: Person(name)//注意：此处必须这么写，不能像下面那样写
		, _num(num)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}
	//注意：无论Person(name)和_num(num)谁在前谁在后都是先对从父类继承来的成员进行初始化，即按照声明的顺序进行初始化的
	//错误示范
	//Student(const char* name, int num)
	//	: _name(name)
	//	, _num(num)
	//{
	//	cout << "Student()" << endl;
	//}
	//下面的写法是正确的
	//但是我们不推荐这么写，因为在子类构造函数初始化列表的地方还是会默认调用父类的构造函数，所以我们为什么不在初始化列表进行初始化呢
	//Student(const char* name, int num)
	//	: _num(num)
	//{
	//	_name = name;
	//	cout << "Student()" << endl;
	//}
	

	Student(const Student& s)
		: Person(s)//调用的是父类的拷贝构造函数，而不是构造函数！所以不能写成：Person(s._name)
		, _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);//此处发生了切片，因为Person的赋值运算符重载的参数是const Person&
			//左边的参数类型本来是Student*，经过切片之后变成了Person*
			//右侧的参数类型本来是Student&，经过切片之后变成了Person&，本质上还是发生了切片
			_num = s._num;
		}
		return *this;
	}
	//父子类的析构函数构成隐藏关系 ---- 原因：多态的需要，析构函数名同一被处理成destructor()，构造函数并没有被同一处理，并且也不需要做出统一处理
	//为了保证析构顺序：先子后父，子类的析构函数完成后会自动调用父类的析构函数，所以不需要我们显式调用
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
protected:
	int _num; //学号

};
//子类构造函数原则：
//a.调用父类构造函数初始化从父类继承来的父类成员 
//b.自己再初始化自己的成员 -- 规则参考普通类
//析构/拷贝构造/赋值重载也是类似
int main()
{
	Student s1("Jack",18);
	Student s2(s1);
	//Student s3("Tom", 19);
	//s1 = s3;
	return 0;
}

问：如何设计一个不能被继承的类？

答：将父类的构造函数设计为私有，这样继承的子类就无法构造实例化子类对象。

class A
{
private:
	A()
	{}
};

class B : public A
{};

此处出现了问题，A的构造函数变成了私有的，那么我们该如何实例化一个A类型的变量呢？像下面这样修改即可：

class A
{
public:
	static A CreateObj()
	{
		return A();
	}
private:
	A()
	{}
};

int main()
{
	A a1 = A::CreateObj();
	return 0;
}

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 B;//声明B是一个类
class A
{
public:
	friend void Display(const A& a, const B& b);
private:
	int _a = 999;
};
class B
{
private:
	int _b = 999;
};

void Display(const A& a, const B& b)
{
	cout << a._a << endl;
    cout << b._b << endl;//Display只是a的友元函数，而不是b的友元函数，友元关系不具有继承性，所以无法输出
}

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:
	void print()
	{
		cout << _num << " " << &_num << endl;
	}
protected:
	static int _num;
};
int Person::_num = 10;

class Student : public Person
{
public:
	void print()
	{
		cout << _num << " " << & _num << endl;
	}
};
int main()
{
	Person p;
	
	p.print();
	p.Person::print();

	return 0;
}

执行结果：

image-20220830144928044

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。

image-20220830145258368

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

image-20220830145337590

菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。

image-20220830145705489

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。

image-20220830150025641

class Person
{
public:
	string _name;
};
class Student : public Person
{
public:
	int _num;
};

class Teacher : public Person
{
public:
	int _id;
};

class Assistant : public Student , public  Teacher
{
public:
	string _majorCourse;
};

int main()
{
	Assistant a;
	//a._name = "张三"; //指向不明确

	a.Student::_name = "aaa";
	a.Person::_name = "bbb";//指向明确：明确知道是从哪个类中继承的，但是数据冗余的问题并没有被解决
	return 0;
}

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;
};
class Student : virtual public Person//在腰部的继承权限的前面加上一个关键字virtual
{
public:
	int _num;
};

class Teacher : virtual public Person//在腰部的继承权限的前面加上一个关键字virtual
{
public:
	int _id;
};

class Assistant : public Student , public  Teacher
{
public:
	string _majorCourse;
};

int main()
{
	Assistant a;
	a._name = "张三"; 
	return 0;
}

注意：下面的也叫菱形继承，也要注意在腰部加virtual。

image-20220830152015416

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。

普通的菱形继承：

//对象模型
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;
	return 0;
}

image-20220830152650079

image-20220830153933112

image-20220830154315648

菱形虚拟继承：

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;
	return 0;
}

image-20220830154632960

image-20220830161001513

我们常常把A叫作虚基类，00597bdc叫作虚基表指针，虚基表指针指向的表叫作虚基表。

注意：不仅仅D的对象模型改变了，B和C的对象模型也改变了，无论是B类型的指针还是D类型的指针，都使用同样的方式去找A成员，先找到虚基表中的偏移量，然后计算A的位置。

问：偏移量有什么用？

答：当我们将D类型的变量赋值给B和C类型的变量时，此时会发生切片，我们就可以通过偏移量来寻找从A类继承到的变量_a。

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。

      组合关系如下图所示：

      class A
{};
class B
{
protected:
	A _a;
};

    • 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。

    • 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。

9.笔试面试题

  1. 什么是菱形继承？菱形继承的问题是什么？
  2. 什么是菱形虚拟继承？如何解决数据冗余和二义性的
  3. 继承和组合的区别？什么时候用继承？什么时候用组合？

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