C++ 一篇搞懂继承的常见特性

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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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