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C++ 一篇搞懂继承的常见特性

2020年01月02日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

董家会,萌学园7最终圣战,雷俊聪

继承和派生

01 继承和派生的概念

继承:

  • 在定义一个新的类 b 时,如果该类与某个已有的类 a 相似(指的是 b 拥有 a 的全部特点),那么就可以把 a 作为一个基类,而把b作为基类的一个派生类(也称子类)。

派生类:

  • 派生类是通过对基类进行修改和扩充得到的,在派生类中,可以扩充新的成员变量和成员函数。
  • 派生类拥有基类的全部成员函数和成员变量,不论是private、protected、public。需要注意的是:在派生类的各个成员函数中,不能访问基类的private成员。

02 需要继承机制的例子

程序猿种类有很多种,如 c/c++ 程序猿,java 程序猿,python 程序猿等等。那么我们要把程序猿设计成一个基类, 我们则需要抽出其特有的属性和方法。

所有程序猿的共同属性(成员变量):

  1. 姓名
  2. 性别
  3. 职位

所有的程序猿都有的共同方法(成员函数):

  1. 是否要加班?
  2. 是否有奖励?

而不同的程序猿,又有各自不同的属性和方法:

  • c++ 程序猿:是否是音视频、网游领域
  • java 程序猿:是否是微服务领域
  • python 程序猿:是否是人工智能、大数据领域

03 派生类的写法

继承的格式如下:

class 派生类名:public 基类名
{
    
};

程序猿 coder 基类:

class coder
{
public:
    bool isworkovertime(){}        // 是否要加班
    
    bool isreward(){}              // 是否有奖励
    
    void set(const string & name)  // 设置名字
    {
        m_name = name;
    }
    
    ...
    
private:
    string m_name; // 姓名
    string m_post; // 职位
    int m_sex;     // 性别
};

python 程序猿 pythoncoder 派生类:

class pythoncoder : public coder
{
public:
    bool isaifield(){}      // 是否是人工智能领域
    bool isbigdatafield(){} // 是否是大数据领域
};

04 派生类对象的内存空间

派生类对象的大小 = 基类对象成员变量的大小 + 派生类对象自己的成员变量的大小。在派生类对象中,包含着基类对象,而且基类对象的存储位置位于派生类对象新增的成员变量之前,相当于基类对象是头部。

class cbase
{
    int a1;
    int a2;
};

class cderived : public cbase
{
    int a3;    
};


继承关系和复合关系

01 类之间的两种关系

继承的关系是「是」的关系:

  • 基类 a,b 「是」基类 a 的派生类。
  • 逻辑上要求:一个 b 对象也「是」一个 a 对象。

继承的关系是「有」的关系:

  • c 类中「有」成员变量 i,i 成员变量是 d 类的,则 c 和 d 是复合关系。
  • 逻辑上要求:d 对象是 c 对象的固有属性或组成部分。

02 继承关系的使用

假设已经存在了 man 类表示男人,后面需要些一个 women 类来表示女人。man 类和 women 类确实是有共同之处,那么就让 women 类继承 man 类,是否合适?

我们先想想继承的逻辑要求,假设 women 类继承 man 类后的逻辑就是:一个女人也是一个男人。很明显,这显然不成立!

所以,好的做法是概括男人和女人的共同特点,抽象出一个 human 类表示人,然后 man 和 woman 都继承 human 类。

03 复合关系的使用

假设要写一个小区养狗管理系统:

  • 需要写一个「主人」类。
  • 需要些一个「狗」类。

假定狗只有一个主人,但是一个主人可以最多有 10 条狗,应该如何设计和使用「主人」类 和「狗」类呢?我们先看看下面几个例子:

例子一:

  • 为主人类设一个狗类的成员对象数组
  • 为狗类设一个主人类的成员对象
class cdog;
class cmaster // 主人类
{
    cdog dogs[10]; // 狗类的成员对象数组
};

class cdog  // 狗类
{
    cmaster m;   // 主人类的成员对象
};

例子一可以发现是:

  • 主人类会构造 10 个狗对象
  • 狗类会构造 1 个主人对象

相当于人中有狗,狗中有人:

这样是不好的,因为会产生循环不断的构造,主人类构造狗对象,狗类又构造主人对象....

例子二:

  • 为狗类设一个主人类的成员对象
  • 为主人类设一个狗类的对象指针数组
class cdog;
class cmaster // 主人类
{
    cdog * pdogs[10]; // 狗类的对象指针数组
};

class cdog  // 狗类
{
    cmaster m;   // 主人类的成员对象
};

这样又变成狗中有人,人去指向「狗中有人」的狗,关系就会显得很错乱,如下图:

例子三:

  • 为狗类设一个主人类的对象指针
  • 为主人类设一个狗类的对象数组
class cdog;
class cmaster // 主人类
{
    cdog  dogs[10]; // 狗类的对象数组
};

class cdog  // 狗类
{
    cmaster * pm;   // 主人类的对象指针
};

这样就会变成,人中有狗,人里面的狗又会指向主人,虽然关系相对好了一点,但是同样还是会绕晕,效果如下图:

例子四:

  • 为狗类设一个主人类的对象指针
  • 为主人类设一个狗类的对象指针数组
class cdog;
class cmaster // 主人类
{
    cdog  * pdogs[10]; // 狗类的对象指针数组
};

class cdog  // 狗类
{
    cmaster * pm;   // 主人类的对象指针
};

这个是正确的例子,因为相当于人和主人是独立的,然后通过指针的作用,使得狗是可以指向一个主人,主人也可以同时指向属于自己的 10 个狗,这样会更灵活。

04 指针对象和对象的区别

如果不用指针对象,生成 a 对象的同时也会构造 b 对象。用指针就不会这样,效率和内存都是有好处的。

比如:

class car
{
    engine engine; // 成员对象
    wing * wing;   // 成员指针对象
};

定义一辆汽车,所有的汽车都有 engine,但不一定都有 wing
这样对于没有 wing 的汽车,wing 只占一个指针,判断起来也很方便。

  • 空间上讲,用指针可以节省空间,免于构造 b 对象,而是只在对象中开辟了一个指针,而不是开辟了一个对象 b 的大小。
  • 效率上讲,使用指针适合复用。对象 b 不但 a 对象能访问,其他需要用它的对象也可以使用。
  • 指针对象可以使用多态的特性,基类的指针可以指向派生链的任意一个派生类。
  • 指针对象,需要用它的时候,才需要去实例化它,但是在不使用的时候,需要手动回收指针对象的资源。

派生类覆盖基类成员

01 覆盖

派生类(子类)可以定义一个和基类(父类)成员同名的成员,这叫「覆盖」。在派生类(子类)中访问这类成员时,默认的情况是访问派生类中定义的成员。要在派生类中访问由基类定义的同名成员时,要使用作用域符号::

下面看具体的例子:

// 基类
class father
{
public:
    int money;
    void func();
};
 
 // 派生类
class son : public father // 继承
{
public:
    int money;   // 与基类同名成员变量
    void func(); // 与基类同名成员函数
    
    void myfunc(); 
};

void son::myfunc()
{
    money = 100;         // 引用的是派生类的money
    father::money = 100; // 引用的是基类的money
    
    func();           // 引用的是派生类的
    father::func();   // 引用的是基类的
}

相当于 son 对象占用的存储空间:


类的保护成员

我们都知道基类的 public 成员,都是可以被派生类成员访问的,那么基类的 protected、private 成员,分别可以被派生类成员访问吗?带着这个问题,我们可以先看下面的栗子:

class father
{
public:
    int npublic;   // 公有成员
protected:
    int nprotected; // 保护成员
private:
    int nprivate;   // 私有成员
};

class son : public father
{
    void func()
    {
        npublic = 1;     // ok
        nprotected = 1;  // error
        nprivate =1;     // ok,访问从基类继承的protected成员
        
        son a;
        a.nprotected = 1; // error,a不是当前对象
    }
    
};

int main()
{
    
    father f;
    son s;
    
    f.npublic;  // ok
    s.npublic;  // ok
    
    f.nprotected; // error
    s.nprotected; // error
    
    f.nprivate;  // error
    s.nprivate;  // error
}  

基类的 protected、private 成员对于派生类成员的权限说明:
基类的 protected 成员 | 基类的 private 成员
---|---
派生类的成员函数可以访问当前对象的基类的保护成员| 不能被派生类成员访问


派生类的构造函数

通常在初始化派生类构造函数时,派生类构造函数是要实现初始化基类构造函数的。那么如何在派生类构造函数里初始化基类构造函数呢?

class bug {
private :
    int nlegs; int ncolor;
public:
    int ntype;
    bug (int legs, int color);
    void printbug (){ };
};

class flybug : public bug  // flybug 是bug 的派生类
{
    int nwings;
public:
    flybug( int legs,int color, int wings);
};

bug::bug( int legs, int color)
{
    nlegs = legs;
    ncolor = color;
}

// 错误的flybug 构造函数
flybug::flybug ( int legs,int color, int wings)
{
    nlegs = legs;   //  不能访问
    ncolor = color; //  不能访问
    ntype = 1;      // ok
    nwings = wings;
}

// 正确的flybug 构造函数:
flybug::flybug ( int legs, int color, int wings):bug( legs, color)
{
    nwings = wings;
}

int main() 
{
    flybug fb ( 2,3,4);
    fb.printbug();
    fb.ntype = 1;
    fb.nlegs = 2 ; // error. nlegs is private
    return 0;
}

在上面代码例子中:

第24-30行的派生类构造函数初始化基类是错误的方式,因为基类的私有成员是无法被派生类访问的,也就无法初始化。

第33-36行代码是正确派生类构造函数初始化基类构造函数的方式,通过调用基类构造函数来初始化基类,在执行一个派生类的构造函数
之前,总是先执行基类的构造函数。

从上面的例子中我们也得知构造派生对象前,是先构造基类对象,那么在析构的时候依然依据“先构造,后初始化”的原则,所以派生类析构时,会先执行派生类析构函数,再执行基类析构函数。

如下栗子:

class base 
{
public:
    int n;
    
    base(int i) : n(i)
    {
        cout << "base " << n << " constructed" << endl;
    }
    
    ~base()
    { 
        cout << "base " << n << " destructed" << endl; 
    }
};

class derived : public base 
{
public:
    derived(int i) : base(i)
    { 
        cout << "derived constructed" << endl; 
    }
    
    ~derived()
    { 
        cout << "derived destructed" << endl;
    }
};

int main() 
{ 
    derived obj(3); 

return 0; 
}

输出结果:

base 3 constructed
derived constructed
derived destructed
base 3 destructed

继承的赋值兼容规则

01 public 继承

// 基类
class base {};

// 派生类
class derived : public base {};

base b;    // 基类对象
derived d; // 派生类对象
  1. 派生类的对象可以赋值给基类对象
b = d;
  1. 派生类对象可以初始化基类引用
base & br = d;
  1. 派生类对象的地址可以赋值给基类指针
base * pb = & d;

==注意:如果派生方式是 private 或 protected,则上述三条不可行==

02 protected 和 private 继承

// 基类
class base {};

// 派生类
class derived : protected base {};

base b;    // 基类对象
derived d; // 派生类对象
  • protected 继承时,基类的 public 成员和 protected 成员成为派生类的 protected 成员;
  • private 继承时,基类的 public 成员成为派生类的 private 成员,基类的 protected 成员成
    为派生类的不可访问成员;
  • protected 和 private 继承不是「是」的关系。

所以派生方式是 private 或 protected,则是无法像 public 派生承方式一样把派生类对象赋值、引用、指针给基类对象。

03 基类与派生类的指针强制转换

public 派生方式的情况下,派生类对象的指针可以直接赋值给基类指针

base *ptrbase = & objderived;
  • ptrbase 指向的是一个 derived 派生类(子类)的对象
  • *ptrbase 可以看作一个 base 基类的对象,访问它的 public 成员直接通过 ptrbase 即可,但不能通过 ptrbase 访问 objderived 对象中属于 derived 派生类而不属于基类的成员。

通过强制指针类型转换,可以把 ptrbase 转换成 derived 类的指针

base * ptrbase = &objderived;
derived *ptrderived = ( derived * ) ptrbase;

程序员要保证 ptrbase 指向的是一个 derived 类的对象,否则很容易会出错。

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