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C++ 继承

news 文章来源：https://blog.csdn.net/m0_73800602/article/details/135436020 2024/11/27 10:35:31

一、继承的概念及定义

1、继承的概念

2、继承定义

二、基类和派生类对象赋值转换

三、继承中的作用域

四、派生类的默认成员函数

五、继承与友元

六、继承与静态成员

七、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

1、菱形继承

2、虚拟继承

3、例题

八、继承的总结和反思

一、继承的概念及定义

1、继承的概念

继承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。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Person
{
public:void Print() {cout << "name:" << _name << endl;cout << "age:" << _age << endl;}
private:string _name = "hhhhh";int _age = 666;
};class Student : public Person
{
private:int _stuid;
};int main()
{Student a;a.Print();
}

2、继承定义

(1)定义格式

Person是父类，也称作基类。Student是子类，也称作派生类。

(2)继承关系和访问限定符

(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

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。（可以调用父类的函数访问）

class Base {
private:int private_member;
};class Derived : public Base {// private_member 在这里是不可见的，无法访问
};int main() {Derived d;// d.private_member; // 错误：private_member 在派生类中是不可见的return 0;
}

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。

class Base {
protected:int protected_member;
};class Derived : public Base {
public:void access_member() {protected_member = 10; // 可以访问}
};int main() {Derived d;d.access_member(); // 可以访问// d.protected_member; // 错误：protected_member 在类外是不可访问的return 0;
}

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。

class Base {
public:int public_member;
protected:int protected_member;
private:int private_member;
};class Derived : protected Base {// public_member 在这里变为了 protected// protected_member 仍然是 protected// private_member 是不可见的
};int main() {Derived d;// d.public_member; // 错误：public_member 在派生类中是 protectedreturn 0;
}

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。

class Base {
public:int member;
};class Derived1 : Base {// 默认为 private 继承
};struct Derived2 : Base {// 默认为 public 继承
};int main() {Derived1 d1;// d1.member; // 错误：member 在派生类中是 privateDerived2 d2;d2.member = 10; // 可以访问return 0;
}

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 Base {
public:int public_member;
};class Derived : public Base {// 通常使用 public 继承
};int main() {Derived d;d.public_member = 10; // 可以访问return 0;
}

二、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。

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 = &sobjStudent* 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;
}

三、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。
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。

例一：

class Person
{
protected:string _name = "张三"; // 姓名int _num = 11; 		// 身份证号
};class Student : public Person
{
public:void Print(){cout << Person::_num << endl;cout << _num << endl;}
protected:int _num = 666; // 学号
};int main()
{Student s;s.Print();return 0;
}

例二：

// 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){cout << "func(int i)->" << i << endl;}
};void Test()
{B b;b.fun(10); //访问B中的funb.A::fun();//访问A中的funb.fun();   //报错
};

四、派生类的默认成员函数

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。
也就是如果基类有默认构造函数（没有参数的构造函数），派生类的构造函数会自动调用基类的默认构造函数来初始化基类的成员。

然而，如果基类没有默认构造函数，即基类的构造函数需要参数，那么派生类的构造函数就必须在初始化列表阶段显式调用基类的构造函数，以提供必要的参数来初始化基类的成员。这样可以确保基类的成员在派生类对象创建时得到正确的初始化。
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。
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(这个我们后面会讲解)。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), _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;}// 析构函数会被处理成destructor~Student(){//Person::~Person();//不需要显示调用，会多调用一次cout << "~Student()" << endl;}// 子类析构函数完成时，会自定调用父类析构函数，保证先析构子再析构父
protected:int _num; //学号
};

Person类：这是一个基类，包含一个保护成员变量_name，表示人的名字。它有一个带默认参数的构造函数，一个拷贝构造函数，一个赋值运算符重载函数和一个析构函数。在每个函数中，都使用了cout来打印函数的名称，以便于跟踪函数的调用。
Student类：这是一个从Person类派生的子类，增加了一个保护成员变量_num，表示学生的学号。它也有一个构造函数，一个拷贝构造函数，一个赋值运算符重载函数和一个析构函数。在构造函数和拷贝构造函数中，都会先调用父类的相应函数，然后再处理子类特有的部分。在赋值运算符重载函数中，也是先调用父类的赋值运算符重载函数，然后再处理子类特有的部分。在析构函数中，不需要显式调用父类的析构函数，因为子类的析构函数完成后，会自动调用父类的析构函数。

int main()
{Student s1("张三", 18);Student s2(s1);Person p = s1;s1 = s2;return 0;
}

在main函数中，以下是详细的调用过程：

Student s1("张三", 18);：创建一个Student对象s1。首先，调用基类Person的构造函数，将_name初始化为"张三"，然后打印"Person()"。接着，初始化派生类Student的成员_num为18，然后打印"Student()"。
Student s2(s1);：使用s1创建一个新的Student对象s2。首先，调用基类Person的拷贝构造函数，将s2的_name初始化为s1的_name，然后打印"Person(const Person& p)"。接着，调用派生类Student的拷贝构造函数，将s2的_num初始化为s1的_num，然后打印"Student(const Student& s)"。
Person p = s1;：将s1赋值给一个Person对象p。这里会调用基类Person的拷贝构造函数，将p的_name初始化为s1的_name，然后打印"Person(const Person& p)"。注意，这里只会复制基类部分，派生类Student的成员_num不会被复制。
s1 = s2;：将s2赋值给s1。首先，调用基类Person的赋值运算符重载函数，将s1的_name设置为s2的_name，然后打印"Person operator=(const Person& p)"。接着，调用派生类Student的赋值运算符重载函数，将s1的_num设置为s2的_num，然后打印"Student& operator=(const Student& s)"。
return 0;：main函数结束，返回0。在main函数结束时，s1、s2和p的析构函数会被自动调用。首先，调用基类Person的析构函数，打印"~Person()"，这是对p的析构。然后，调用派生类Student的析构函数，打印"Student()"，接着，自动调用基类Person的析构函数，然后打印"Person()"。这个过程会对s1和s2重复两次。

五、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 Student;
class Person
{
public:friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{//添加下面这句就可以解决//friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:int _stuNum; // 学号
};void Display(const Person& p, const Student& s)
{cout << p._name << endl;cout << s._stuNum << endl;
}

六、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; 
};int main()
{Person p;Student s;//地址不同cout << &(p._name) << endl;cout << &(s._name) << endl;//地址相同cout << &(p._count) << endl;cout << &(s._count) << endl;//计算创建的对象的个数Graduate g1;Graduate g2;cout << Person::_count << endl;cout << Graduate::_count << endl;return 0;
}

Student类继承自Person类，Graduate类继承自Student类。

Person类：这个类有两个成员变量，一个是_name，类型为string，表示人的姓名；另一个是_count，类型为int，是一个静态成员变量，用于统计Person类的对象个数。在Person类的构造函数中，每次创建一个新的Person对象时，_count就会加1。
Student类：这个类继承自Person类，增加了一个成员变量_stuNum，类型为int，表示学生的学号。
Graduate类：这个类继承自Student类，增加了一个成员变量_seminarCourse，类型为string，表示研究生的研讨课程。

在main函数中，首先创建了一个Person对象p和一个Student对象s。然后，通过cout语句输出了p和s的_name成员变量的地址。由于_name是非静态成员变量，每个对象都有自己的_name，所以p和s的_name的地址是不同的。

接着，通过cout语句输出了p和s的_count成员变量的地址。由于_count是静态成员变量，所有的对象共享同一个_count，所以p和s的_count的地址是相同的。

然后，创建了两个Graduate对象g1和g2。由于Graduate类继承自Person类，所以每创建一个Graduate对象，Person类的_count都会加1。

最后，通过cout语句输出了Person类和Graduate类的_count。由于Graduate类继承自Person类，所以Graduate类的_count和Person类的_count是相同的。

七、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

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

1、菱形继承

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 : 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()
{// 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";
}

2、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 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._a = 1;  // 通过B或C访问_a时，需要使用作用域解析运算符d._b = 3;d._c = 4;d._d = 5;return 0;
}

下图是菱形继承的内存对象成员模型：这里可以看到数据冗余

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，同类型对象的虚基表可以复用，偏移量一样，指向同一个虚基表。

3、例题

下面代码的调用顺序？

#include <iostream>
using namespace std;class A {
public:A(char *s) { cout << s << endl; }~A() {}
};class B : virtual public A {
public:B(char *s1, char *s2) : A(s1) {cout << s2 << endl;}
};class C : virtual public A {
public:C(char *s1, char *s2) : A(s1) {cout << s2 << endl;}
};class D : public B, public C {
public:D(char *s1, char *s2, char *s3, char *s4) : B(s1, s2), C(s1, s3), A(s1) {cout << s4 << endl;}
};int main() {D *p = new D("class A", "class B", "class C", "class D");delete p;return 0;
}

在D类的构造函数中，分别调用了B和C的构造函数，而B和C的构造函数又分别调用了A的构造函数。因此，构造函数的调用顺序是A -> B -> C -> D。

八、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。

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。

class Car {
protected:string _colour = "白色"; // 颜色string _num = "陕ABIT00"; // 车牌号
};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; }
};class Tire {
protected:string _brand = "Michelin"; // 品牌size_t _size = 17; // 尺寸
};class CarWithTire : public Car {
protected:Tire _t; // 轮胎
};

一、继承的概念及定义

1、继承的概念

2、继承定义

二、基类和派生类对象赋值转换

三、继承中的作用域

四、派生类的默认成员函数

五、继承与友元

六、继承与静态成员

七、复杂的菱形继承及菱形虚拟继承

1、菱形继承

2、虚拟继承

3、例题

八、继承的总结和反思

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