【C++进阶】继承：作用域、默认成员、友元、静态成员与组合关系

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我们在保持原有类特性的基础上进行扩展增加方法(成员函数)和属性(成员变量)这样产生新的类称为派生类(子类)。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。继承是类层次的复用。下面的代码是不使用继承时的Student类和Teacher类Student类和Teacher类中都有姓名/地址/电话/年龄等成员变量都有identity身份认证的成员函数两个类中都写就是冗余的。Student类和Teacher类也有各自都有的成员变量和成员函数比如Student类独有的成员变量是学号独有的成员函数是学习Teacher类独有的成员变量是职称独有的成员函数是授课。classStudent{public:// 身份认证voididentity(){// ...}// 学习voidstudy(){// ...}private:string _namepeter;// 姓名string _address;// 地址string _tel;// 电话int_age18;// 年龄int_stuid;// 学号};classTeacher{public:// 身份认证voididentity(){// ...}// 授课voidteaching(){// ...}private:string _name张三;// 姓名string _address;// 地址string _tel;// 电话int_age18;// 年龄int_title;// 职称};intmain(){return0;}可以将两个类的公共成员放到Person类中Student类和Teacher类都继承Person就可以实现代码的复用。classPerson{public:// 身份认证voididentity(){coutvoid identity()endl;}private:string _namepeter;// 姓名string _address;// 地址string _tel;// 电话int_age18;// 年龄};classStudent:publicPerson{public:// 学习voidstudy(){// ...}private:int_stuid;// 学号};classTeacher:publicPerson{public:// 授课voidteaching(){// ...}private:int_title;// 职称};intmain(){Student s;Teacher t;s.identity();t.identity();return0;}通过s和t对象都可以调用Persin中的identity函数。1.2 继承定义1.2.1 定义格式Person类是基类也称作父类Student是派生类也称作子类。1.2.2 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。不可见指的是基类的私有成员被继承到了派生类对象中但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。基类private成员在派生类中不能被访问如果基类成员不想在类外直接访问但需要在派生类中访问就可以定义为protected。可以看出保护成员限定符是因继承出现的。上面的表格可以总结为基类的私有成员在派生类都是不可见的基类的其他成员在派生类中的访问方式 Min(成员在基类中的访问限定符, 继承方式)public protected private。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不过最好显式写出继承方式。在实际使用中一般使用public继承几乎很少使用protected/private继承也不提倡使用因为protected/private继承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。1.3 集成类模板#includeiostream#includevectorusingnamespacestd;namespacezsy{templateclassTclassstack:publicstd::vectorint{public:voidpush(constTx){// 基类是类模板时需要指定类域// 否则编译报错// 因为stackint实例化时也实例化vectorint了// 但是模板是按需实例化push_back等成员函数未实例化所以找不到vectorT::push_back(x);//push_back(x);}voidpop(){vectorint::pop_back();}constTtop(){returnvectorT::back();}boolempty(){returnvectorT::empty();}};}intmain(){zsy::stackintst;st.push(1);st.push(2);st.push(3);while(!st.empty()){coutst.top() ;st.pop();}return0;}2.基类和派生类间的转换public继承的派生类对象可以赋值给基类的指针/基类的引用。基类对象不能赋值给派生类对象。基类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或引用。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。classPerson{protected:string _name;string _sex;int_age;};classStudent:publicPerson{public:int_No;};intmain(){Student sobj;// 1.派生类对象可以赋值给基类的指针/引用// 不会产生临时变量Person*ppsobj;Personrpsobj;// 派生类对象可以赋值给基类对象是通过调用基类的拷贝构造完成的Person pobjsobj;// 2.基类对象不能赋值给派生类对象会编译报错//sobj pobj;return0;}3.继承中的作用域3.1 隐藏规则在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域派生类和基类中如果有同名成员派生类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问这种情况叫隐藏在派生类的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。#includeiostreamusingnamespacestd;// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系这样的代码虽然能运行但容易混淆classPerson{protected:string _name小李子;// 姓名int_num111;// 身份证号};classStudent:publicPerson{public:voidPrint(){cout姓名_nameendl;cout身份证号Person::_numendl;cout学号_numendl;}protected:int_num999;// 学号};intmain(){Student s1;s1.Print();return0;}3.2 考察继承作用域相关选择题3.2.1 A类和B类中的两个fun构成什么关系A.重载 B.隐藏 C.没关系3.2.2 下面程序的编译运行结果是什么A.编译报错 B.运行报错 C.正常运行#includeiostreamusingnamespacestd;classA{public:voidfun(){coutfun()endl;}};classB:publicA{public:voidfun(inti){coutfun(int i)endl;}};intmain(){B b;b.fun(10);b.fun();return0;}答案3.2.1B函数重载要求在同一作用域A类和B类不属于同一作用域不构成函数重载fun在基类A和派生类B中都存在是同名成员属于隐藏3.2.2A编译报错“B::fun”: 函数不接受 0 个参数使用时可以指定作用域b.A::fun();4.派生类的默认成员函数4.1 常见的默认成员函数6个默认成员函数默认的意思就是我们不写编译器会自动生成一个派生类的构造函数必须调用基类的构造函数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显示调用将继承的父类成员看作一个整体对象要求调用父类的默认构造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必须调用基类的operator完成基类的赋值。需要注意的是派生类的operator隐藏了基类的operator所以显示调用基类的operator需要指定基类作用域。派生类的析构函数会在被调用完成后自动调用基类的构造函数清理基类成员。因为这样才能保证先清理派生类成员再清理基类成员的顺序不需要显示调用保证后定义的先析构派生类对象初始化先调用基类构造再调用派生类构造派生类对象析构清理先调用派生类析构再调用基类的析构因为多态中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因此编译器会对析构函数名进行特殊处理处理成destructor()所以基类析构函数不加virtual的情况下派生类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。有需要深拷贝的资源才需要自己实现拷贝构造、赋值重载、析构#includeiostreamusingnamespacestd;classPerson{public:Person(constchar*namepeter):_name(name){coutPerson()endl;}Person(constPersonp):_name(p._name){coutPerson(const Person p)endl;}Personoperator(constPersonp){coutPerson operator(const Person p)endl;if(this!p)_namep._name;return*this;}~Person(){cout~Personendl;}protected:string _name;// 姓名};classStudent:publicPerson{public:Student(constchar*name,intnum):Person(name),_num(num){coutStudent()endl;}Student(constStudents):Person(s),_num(s._num){coutStudent(const Student s)endl;}Studentoperator(constStudents){coutStudent operator (const Student s)endl;if(this!s){//构成隐藏所以需要显式调用Person::operator(s);_nums._num;}return*this;}~Student(){cout~Student()endl;}protected:int_num;};intmain(){Students1(jack,18);Students2(s1);Students3(rose,17);s1s3;return0;}4.2 实现一个不能被继承的类方法1(C11前)将基类的构造函数私有化。派生类的构成必须调用基类的构造函数但基类的构造函数私有化后在派生类中不可见就不能调用了那么派生类就无法实例化出对象方法2(C11后)C11新增了一个final关键字final修改基类派生类就不能继承了。#includeiostreamusingnamespacestd;// C11的方法classBasefinal{public:voidfunc(){coutBase::funcendl;}protected:inta1;private:// C98的方法//Base(){};};//不能将“final”类类型用作基类classDerive:publicBase{public:voidfunc1(){coutDerive::func1endl;}protected:intb2;};intmain(){Base b;//Derive: 无法从 Base 继承因为它已声明为 finalDerive d;return0;}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派生类私有和保护成员#includeiostreamusingnamespacestd;classStudent;classPerson{public:friendvoidDisplay(constPersonp,constStudents);protected:string _name;// 姓名};classStudent:publicPerson{public:// 将Displlay设置成Student的友元//friend void Display(const Person p, const Student s);protected:int_stuNum;// 学号};voidDisplay(constPersonp,constStudents){coutp._nameendl;couts._stuNumendl;}intmain(){Person p;Student s;// “Student::_stuNum”: 无法访问 protected 成员(在“Student”类中声明)// 解决方法将Display变成Student的友元即可Display(p,s);return0;}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。无论派生出多少个派生类都只有一个static成员实例#includeiostreamusingnamespacestd;classPerson{public:string _name;staticint_count;};intPerson::_count0;classStudent:publicPerson{protected:int_stuNum;};intmain(){Person p;Student s;// 两个类中的非静态成员_name的地址不同// 说明派生类继承了基类的_name基类和派生类各有一份coutp._nameendl;couts._nameendl;// 两个类中的静态成员_count的地址相同// 说明派生类和基类共用同一份静态成员coutp._countendl;couts._countendl;// 公有的情况下基类和派生类指定类域都可以访问静态成员coutPerson::_countendl;coutStudent::_countendl;return0;}7.多继承及菱形继承问题7.2 继承模型单继承一个派生类只有一个直接基类时称这个继承关系为单继承多继承一个派生类有两个或以上直接基类时称这个继承关系为多继承。多继承对象在内存中的模型是先继承的基类在前面后面继承的基类在后面派生类成员放到最后面。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具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。支持多继承就一定会有菱形继承但实践中不建议设计出菱形继承。#includeiostreamusingnamespacestd;classPerson{public:string _name;};classStudent:publicPerson{protected:int_num;// 学号};classTeacher:publicPerson{protected:int_id;// 职工编号};classAssistant:publicStudent,publicTeacher{protected:string _majorCourse;// 主修课程};intmain(){Assistant a;// 编译报错Assistant::_name 不明确//a._name peter;// 显示指定访问哪个基类的成员可以解决二义性问题但数据冗余问题无法解决a.Student::_namexxx;a.Teacher::_nameyyy;return0;}7.2 虚继承上面的代码中出现了菱形继承在Assistant类对象中会存储两份Person有数据冗余和二义性的问题可以在 Student 和 Teacher 类继承 Person 时使用 virtual 虚继承。#includeiostreamusingnamespacestd;classPerson{public:string _name;};// 使用虚继承Person类classStudent:virtualpublicPerson{protected:int_num;// 学号};// 使用虚继承Person类classTeacher:virtualpublicPerson{protected:int_id;// 职工编号};// 教授助理classAssistant:publicStudent,publicTeacher{protected:string _majorCourse;// 主修课程};intmain(){Assistant a;// 使用虚继承可以解决数据冗余和二义性a._namepeter;return0;}哪个类产生数据冗余和二义性继承时就需要使用虚继承可以设计出多继承但不建议设计菱形继承因为菱形虚拟继承后无论是使用还是底层都会复杂很多。7.3 多继承中的指针偏移问题下面说法正确的是A. p1 p2 p3B. p1 p2 p3C. p1 p3 ! p2D. p1 ! p2 ! p3#includeiostreamusingnamespacestd;classBase1{public:int_b1;};classBase2{public:int_b2;};classDerive:publicBase1,publicBase2{public:int_d;};intmain(){Derive d;Base1*p1d;Base2*p2d;Derive*p3d;return0;}答案C多继承中先继承的保存在前面所以p1的地址和p3的地址相同p2指向Base2的起始地址。8.继承和组合8.1 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对象继承允许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派生类可见。继承一定程度上破坏了基类的封装基类的改变对派生类有很大影响。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。组合类直接没有很强的依赖关系耦合度低。组合的耦合度低代码维护性好。优先使用组合而不是继承不过也不绝对类之间的关系只适合继承(is-a)时就用继承要实现多态也必须要继承。类之间的关系既适合用继承(is-a)也适合组合(has-a)就用组合。