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C++面向对象三大特性之一：继承（超详细讲解）_1: person、teacher、student 2:person:成员变量name和sex,静态

作者：你好赵伟 | 2024-02-24 22:44:22

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1: person、teacher、student 2:person:成员变量name和sex,静态成员变量count

目录：
        继承的定义
        基类和派生类对象赋值转换
        继承中的作用域
        派生类的默认成员函数
        继承与友元
        继承与静态成员变量
        复杂的菱形继承及菱形虚拟继承
        继承和组合
        继承的总结和反思

首先我们来看一个现象：假如在学校中有学生、教师、领导三个群体，他们都有着共同的姓名、性别、学工号信息，每个群体又分别有自己的专属信息：学生专业信息、教师任课信息、领导部门信息等；在管理每个群体信息的时候，如果给每个群体都去创建一个类，每个类中又分别定义对应的成员变量会很麻烦；那有没有什么办法解决呢？C++继承很好的解决了这个问题。
在这里插入图片描述
在person类中，有着student、teacher、leader共同拥有的姓名、性别、学工号信息，然后让它们分别去继承person类；此时person类称为父类或基类，student类、teacher类、leader类称为子类或派生类；子类可以继承父类的成员信息，并且可以在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加功能。

继承的定义

在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _name << " " << _num << endl;
	}
protected:
	string _name = "胖胖"; //姓名
	int _num = 18060210; //学号
};

class Student : public Person
{
public:
	string _major = "软件工程"; //专业
};

int main()
{
	Student s;
	s.Print();
	return 0;
}

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继承关系和访问限定符
在这里插入图片描述
继承基类成员访问方式的变化

在这里插入图片描述
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。

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。
  • 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。
  • 子类和父类对象赋值转换大前提：public的继承方式

在这里插入图片描述

	Student s;
	// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	Person p1 = s;
	Person* p2 = &s;
	Person& p3 = s;

	// 2.基类对象不能赋值给派生类对象
	//s = p1;

	// 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* sp = (Student*)p2; //需要强制类型转换
	sp->_major = "计算机科学与技术";

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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，子类成员将屏蔽对父类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）
  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。
  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。

如下代码：Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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();
};

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

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如下代码：
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

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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 Test()
{
    B b;
    b.fun(10);
};

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

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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。
    注意：如果基类具有带有参数的构造函数时，派生类必须显示定义自己的构造函数，并且在其初始化列表的位置显示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。
  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。
    否则如果和 构造/拷贝/赋值 同样的显示的调用基类的析构函数，会导致基类成员先被清理造成顺序相反。

在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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; //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)
    {
        if (this != &s)
        {
            Person::operator =(s);
            _num = s._num;
        }
        cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
        return *this;
    }

    ~Student()
    {
        cout << "~Student()" << endl;
    }
protected:
    int _num; //学号
};

void Test()
{
    Student s1("jack", 18);
    Student s2(s1);
    Student s3("rose", 17);
    s1 = s3;
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

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小问题：实现一个不能被继承的类
C++98：
把基类的构造函数私有化，派生类中调不到基类的构造函数，则无法继承。但是会导致一个问题：基类无法创建对象。则需要写一个获取对象的函数（通过拷贝给临时对象且返回临时对象）来完成基类对象的创建。可是该函数需要基类的对象来调用，这时候需要把该函数设置为静态成员函数，则在类外便可以调用。

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

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C++11：
给出了新的关键字final禁止继承。

class A final
{
public:
	A()
	{}
};

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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

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Student;

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);
    return 0;
}

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继承与静态成员变量

子类可以继承基类的静态成员变量，但整个继承体系里面只有一个这样的成员（即静态成员变量的地址不会改变）。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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;
}

int main()
{
    TestPerson();
    return 0;
}

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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

在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述
菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况
在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述
解决二义性问题：

  1. 显示的调用父类的成员。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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";
}

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  1. 虚拟继承：在继承时加上关键字virtual，比普通继承多了4个字节。
    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";
}

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虚拟继承解决数据冗余和二义性的原理
首先我们来看一段菱形继承的代码：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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;
    cout << sizeof(d) << endl;
    d.B::_a = 1;
    d.C::_a = 2;
    d._b = 3;
    d._c = 4;
    d._d = 5;
    return 0;
}

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在这里插入图片描述
可以看到在没有用虚拟继承的时候，对象d有20个字节。
再借助内存窗口观察对象成员的模型：
在这里插入图片描述
虽然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，在B和C中都分别存储着_a的值。

我们再来看菱形虚拟继承：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

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;
    cout << sizeof(d) << endl;
    d.B::_a = 1;
    d.C::_a = 2;
    d._b = 3;
    d._c = 4;
    d._d = 5;
    d._a = 6;
    return 0;
}

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在这里插入图片描述
可以发现在使用了虚拟继承后，对象d有24个字节
再借助内存窗口观察对象成员的模型：
在这里插入图片描述
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。虚基表中存的是偏移量。通过偏移量可以找到下面的A。

那么为什么D中的B和C部分要去找属于自己的A？
当下面的赋值发生时，d必须要去找出B/C成员中的A才能赋值过去。

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

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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。
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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，很多后来的面向对象语言都没有多继承，如Java。
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