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C++重温笔记(四): 继承和派生

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摘要:继承继承,就是子类继承父亲的特征和行为,使得子类具有父类的成员变量和方法。此时,被继承的类称为父类或基类,而继承的类称为子类或派生类。,如果存在继承关系的时候,和就不一样了基类中的成员可以在派生类中使用,但是基类中的成员不能再派生类中使用。

1. 写在前面

c++在线编译工具,可快速进行实验: https://www.dooccn.com/cpp/

这段时间打算重新把c++捡起来, 实习给我的一个体会就是算法工程师是去解决实际问题的,所以呢,不能被算法或者工程局限住,应时刻提高解决问题的能力,在这个过程中,我发现cpp很重要, 正好这段时间也在接触些c++开发相关的任务,所有想借这个机会把c++重新学习一遍。 在推荐领域, 目前我接触到的算法模型方面主要是基于Python, 而线上的服务全是c++(算法侧, 业务那边基本上用go),我们所谓的模型,也一般是训练好部署上线然后提供接口而已。所以现在也终于知道,为啥只单纯熟悉Python不太行了, cpp,才是yyds。

和python一样, 这个系列是重温,依然不会整理太基础性的东西,更像是查缺补漏, 不过,c++对我来说, 已经5年没有用过了, 这个缺很大, 也差不多相当重学了, 所以接下来的时间, 重温一遍啦 ?

资料参考主要是C语言中文网光城哥写的C++教程,然后再加自己的理解和编程实验作为辅助,加深印象。

今天这篇文章是C++非常重要的一块,关于类的继承和派生,我们知道C++面向对象开发有四大特性: 抽象,封装,继承和多态。 前面发现,通过定义类,把事物的数据和功能进行抽象,而通过隐藏对象的属性和实现细节,对外只提供接口的方式对类的内部成员形成了封装。 这两个前面都已经了解过, 而这篇文章主要是整理继承,即子类继承父类的特征和行为,使得子类具有父类的成员变量和方法, 继承最大的一个好处就是代码复用,两个类有一些相同的属性和方法。

这篇内容会有些偏多,还是各取所需即可 ?

主要内容如下:

  • C++继承和派生初识
  • C++继承的三种方式
  • C++继承时的名字遮蔽问题与作用域嵌套
  • C++继承时的对象内存模型
  • C++基类和派生类的构造函数和析构函数
  • C++的多继承
  • C++虚继承(虚基类,虚继承构造函数,虚继承内存模型)
  • C++向上转型(派生类指针赋值给基类)与过程原理剖析
  • 借助指针突破访问权限的限制

Ok, let’s go!

2. C++继承和派生初识

2.1 C++面向对象开发的四大特性

在聊C++继承和派生之前,先来看看C++面向对象开发的四大特性,这样能先宏观把握一下继承到底位于什么样的位置。

C++面向对象开发有四大特性: 抽象,封装,继承和多态, 正所谓编程语言的背后都非常相似,Java既然也是面向对象的语言,同样也会有这四大特性。

抽象和封装前面其实已经整理过了, 封装主要讲的是信息隐藏,保护数据,而抽象又可以从两个层面来理解。

  • 抽象:
    从现实生活的具体事物到类层面的抽象(包括各个成员),比如人,有姓名,年龄等各个属性,又有学习,运动等各项功能,那么就可以定义people类把这些数据抽象出来,再通过创建对象的方式把具体实体人创建出来,调用相应的方法实现相应的功能。

    宏观上,这是一种大层面的抽象,而这里面其实又可以看成数据抽象(目标的特性信息)和过程抽象(目标的功能是啥,注意不关注具体实现逻辑)
  • 封装
    所谓封装,就是隐藏对象的属性和实现细节,仅仅对外公开接口,控制程序对类属性的读取和修改。在类的内部, 成员函数可以自由修改成员变量,进行精确控制,但是在类的内部,通过良好的封装, 减少耦合,隐藏实现细节。
  • 继承
    继承,就是子类继承父亲的特征和行为,使得子类具有父类的成员变量和方法。 这个和生活中儿子继承他爹的家产差不多是一个道理,更有意思的是继承有两种模式,单继承和多继承,单继承比较好理解,一个子类只继承一个父类, 而多继承是一个子类,继承多个父类,联想到生活中,可能有好几个爸爸。
  • 多态
    同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力,有两种表现形式覆盖和重载,这个到这里不理解也不要紧,下一篇文章会重点整理。
    • 重载: 这个之前学习过,相同作用域中存在多个同名函数,但函数的参数列表会不一样
    • 重写或者叫覆盖: 主要体现在继承关系里面,子类重写了从他爸那里继承过来的函数,如果子类的对象调用成员函数的时候,如果子类的成员函数重写了他爸的,那么就执行子类自己的函数,否则继承他爸的。 这个也比较好理解,比如同样是挣钱,他爸的路子很可能和儿子的不一样,那么儿子在调用挣钱的时候,肯定是先找找儿子有没有独特的挣钱方式,如果没有,就默认和他爸一样,走他爸的挣钱方式。

2.2 再看继承

有了上面的宏观把握,再看继承就比较容易理解, 简单的讲,继承就是一个类从另一个类获取成员变量和成员函数的过程。 此时,被继承的类称为父类或基类,而继承的类称为子类或派生类。

C++中派生和继承是站在不同角度看的同种概念。继承时从儿子的角度看,派生是父亲的角度看,实际说的是一回事。

派生类除了拥有他爹的成员,还可以定义自己的新成员,增强功能,此时的好处就是只需要定义新成员即可,老的成员和功能,直接继承,实现了代码复用。

下面是两种典型使用继承的场景:

  1. 创建的新类与现有类相似,只多出若干个成员变量和成员函数的时候,用继承,减少代码量,且新类会拥有基类的所有功能
  2. 创建多个类, 他们拥有很多相似的成员变量或函数,可以用继承,把这些类共同的成员提取出来,定义为基类,然后从基类继承, 可以减少代码量,也方便后续的修改。

继承的语法:

class 派生类名:[继承方式] 基类名{    派生类新增加的成员};

直接看个栗子:

class People{public:    void setname(string name);    string getname();private:    string m_name;    int m_age;};void People::setname(string name){m_name = name;}   string People::getname(){return m_name;}class Student: public People{public:    void setage(int age);    int getage();private:    int m_age;};void Student::setage(int age){m_age = age;}int Student::getage(){return m_age;}int main(){    Student stu;    stu.setname("zhongqiang");    stu.setage(25);    cout << stu.getname() << "的年龄是" << stu.getage() << endl;    return 0;}

这个例子比较简单,不解释, 这里就会发现, Student继承了People之后,就有他的setname()getname()方法,在子类里面可以直接调用。

上面演示了public的继承方式,但继承方式其实有3种, public, private, protected, 这哥仨不仅可以修饰类的成员,还可以指定继承方式。如果不写,默认是private(成员变量和成员函数默认也是private), 那么这三种继承方式到底有啥区别呢?

3. C++继承的三种方式

3.1 哥仨修饰类成员

public, private, protected这哥仨,可以修饰类成员,之前见识过public和private了, 这里加上protected之后统一整理下访问权限的问题。

类成员的访问权限从高到低依次是public --> protected --> private。 public成员可以通过对象来访问, private成员不能通过对象访问, protected成员和private成员蕾西, 也不能通过对象访问。

But, 如果存在继承关系的时候, protected和private就不一样了: 基类中的protected成员可以在派生类中使用,但是基类中的private成员不能再派生类中使用

3.2 继承方式会影响基类成员在派生类中的访问权限

不同的继承方式使得基类成员在派生类中的访问权限也不一样, 下面这个很重要:

  • public继承方式
    • 基类中所有public成员 -> 继承到派生类 -> public属性
    • 基类中所有protected成员 -> 继承到派生类 -> protected 属性
    • 基类中所有private 成员 -> 继承到派生类 -> 不能使用
  • protect继承方式
    • 基类中所有public成员 -> 继承到派生类 -> protected属性
    • 基类中所有protected成员 -> 继承到派生类 -> protected 属性
    • 基类中所有private 成员 -> 继承到派生类 -> 不能使用
  • private继承方式
    • 基类中所有public成员 -> 继承到派生类 -> private属性
    • 基类中所有protected成员 -> 继承到派生类 -> private 属性
    • 基类中所有private 成员 -> 继承到派生类 -> 不能使用

使用方法:

  1. 基类成员在派生类中的访问权限不得高于继承方式中指定的权限,也就是说**继承方式中的public, protected, private是用来指明基类成员在派生类中最高访问权限的。
  2. 不管继承方式如何, 基类中的private成员在派生类中始终不能使用(不能在派生类的成员函数中访问或者调用)
  3. 如果希望基类的成员能够在派生类继承并且使用, 那么这些成员应该声明public或者protected, 只有那些不希望在派生类中使用的成员声明为private
  4. 如果希望基类的成员既不向外暴露(不能通过对象访问), 还能在派生类中使用, 那么就声明为protected。

下面通过上面的代码例子来演示下, 由于private和protect继承方式会改变基类成员在派生类中的访问权限,导致继承关系复杂, 所以实际开发中一般使用public。

把上面的栗子修改下, 测试下上面的这几种情况,方便理解,这里只看public继承下面的。

class People{public:    void setname(string name);    string getname();    void setage(int age);    int getage();    void setsex(string sex);    string getsex();    void setwork(string work);    string getwork();    // 属性    string m_sex;    protected:    string m_work;    private:    string m_name;    int m_age;};void People::setname(string name){m_name = name;}   string People::getname(){return m_name;}void People::setage(int age){m_age = age;}int People::getage(){return m_age;}void People::setsex(string sex){m_sex=sex;}string People::getsex(){return m_sex;}void People::setwork(string work){m_work=work;}string People::getwork(){return m_work;}class Student: public People{public:        void setscore(float score);    float getscore();        // 定义问候方法,这里面会访问基类的私有属性    string helloname();    string hellowork();    string hellosex();private:    float m_score;};void Student::setscore(float score){m_score = score;}float Student::getscore(){return m_score;}// 访问基类中的公有属性string Student::hellosex(){return "hello, " + m_sex;}// 访问基类中的protect属性string Student::hellowork(){return "hello, " + m_work;}// 访问基类中的私有属性// string Student::helloname(){return "hello, " + m_name;}  error: "std::string People::m_name" is private within this contextint main(){        Student stu;    stu.setname("zhongqiang");    stu.setsex("man");    stu.setwork("student");    stu.setage(25);    stu.setscore(66.6);        cout << stu.getname() << "今年" << stu.getage() << ",性别: " << stu.getsex() << ", 职业: " << stu.getwork() << ", 分数: " << stu.getscore() << endl;        //cout << stu.helloname() << endl;    cout << stu.hellowork() << endl;    cout << stu.hellosex() << endl;        // 直接通过对象访问属性    cout << stu.m_sex << endl;     // 公有属性到子类中依然是公有, 可以被访问    //cout << stu.m_name << endl;  // error "std::string People::m_name" is private within this context    //cout << stu.m_work << endl;   // error "std::string People::m_work" is protected within this context        //cout << stu.m_score << endl;  // error "float Student::m_score" is private within this context        return 0;}

在这里面就可以看出来, 在Student里面的成员函数中,只能访问到他爹的public属性和protect属性,不能访问他爹的private属性。而如果是通过Student的对象, 那么只能访问public属性,protect和private的都访问不到。

在派生类中访问基类的private成员的唯一方法就是借助基类的非private成员函数,如果基类没有非private成员函数,那么该成员在派生类中将无法访问

这里注意一个问题,这里说的是基类的 private 成员不能在派生类中使用,并不是说基类的 private 成员不能被继承。实际上,基类的 private 成员是能够被继承的,并且(成员变量)会占用派生类对象的内存,它只是在派生类中不可见,导致无法使用罢了。private 成员的这种特性,能够很好的对派生类隐藏基类的实现,以体现面向对象的封装性。

3.3 using改变访问权限

using关键字可以改变基类成员在派生类中的访问权限, 比如将public改成private, protected改成public。

注意:using 只能改变基类中 public 和 protected 成员的访问权限,不能改变 private 成员的访问权限,因为基类中 private 成员在派生类中是不可见的,根本不能使用,所以基类中的 private 成员在派生类中无论如何都不能访问

class People{public:    void setname(string name);    string getname();    void setage(int age);    int getage();    void setsex(string sex);    string getsex();    void setwork(string work);    string getwork();    // 属性    string m_sex;    protected:    string m_work;    private:    string m_name;    int m_age;};void People::setname(string name){m_name = name;}   string People::getname(){return m_name;}void People::setage(int age){m_age = age;}int People::getage(){return m_age;}void People::setsex(string sex){m_sex=sex;}string People::getsex(){return m_sex;}void People::setwork(string work){m_work=work;}string People::getwork(){return m_work;}class Student: public People{public:        void setscore(float score);    float getscore();        // 定义问候方法,这里面会访问基类的私有属性    string helloname();    string hellowork();    string hellosex();        using People::m_work;       // 将m_work提升成public权限    private:    float m_score;    using People::m_sex;        // 将m_sex降低为private权限};void Student::setscore(float score){m_score = score;}float Student::getscore(){return m_score;}// 访问基类中的公有属性string Student::hellosex(){return "hello, " + m_sex;}// 访问基类中的protect属性string Student::hellowork(){return "hello, " + m_work;}// 访问基类中的私有属性// string Student::helloname(){return "hello, " + m_name;}  error: "std::string People::m_name" is private within this contextint main(){        Student stu;    stu.setname("zhongqiang");    stu.setsex("man");    stu.setwork("student");    stu.setage(25);    stu.setscore(66.6);        cout << stu.getname() << "今年" << stu.getage() << ",性别: " << stu.getsex() << ", 职业: " << stu.getwork() << ", 分数: " << stu.getscore() << endl;       // 直接通过对象访问属性    //cout << stu.m_sex << endl;     // 这个这时候就会报错了    cout << stu.m_work << endl;   // 这个就可以访问了    return 0;}

注意,using修改的是派生类里面的成员访问权限。并且是只能修改public和protected的访问权限。

4. C++继承时的名字遮蔽问题与作用域嵌套

4.1 名字遮蔽问题

这个说的情况是派生类中的成员(变量和函数),如果和基类中的成员重名,那么在派生类中使用该成员,实际上用的是派生类新增的成员,而不是从基类继承过来的。 即派生类遮蔽掉从基类继承过来的成员。

下面的这个例子,是Student继承了People, 又重写了People的show函数,那么通过Student对象调用show的时候,实际上是用的Student自身的show函数,但People的show函数也被Student继承了过来,如果想用,需要加上类名和域解析符。

class People{public:    void show();protected:    string m_name;    int m_age;};void People::show(){    cout << m_name << " " << m_age << endl; }class Student: public People{public:    Student(string name, int age, string sex);    void show();    // 遮蔽基类的show()    private:    string m_sex;};Student::Student(string name, int age, string sex): m_sex(sex){    m_name = name;    m_age = age;    //m_sex = sex;}void Student::show(){    cout << m_name << " " << m_age << " " << m_sex << endl;}int main(){        Student stu("zhongqiang", 25, "man");        // 派生类新增的成员函数    stu.show();        // zhongqiang 25 man        // 使用从基类继承过来的成员函数    stu.People::show();  // zhongqiang 25        return 0;}

这里我在实验的时候,发现个问题,就是Student的构造函数定义的时候, 本来是想用构造函数初始化列表的方式,一开始写的代码是这样:

Student::Student(string name, int age, string sex): m_name(name), m_age(age){    m_sex = sex;}

此时编译错误, 报错原因class "Student" does not have any field named "m_name", 而如果写成上面那种形式,或者不用参数化列表的方式,就没问题, 所以这里我感觉,参数化列表那个地方的参数,应该是当前类具有的成员变量才行, 继承过来的应该是不能往这里写。

上面的例子,其实就是派生类对基类的函数重写,内部在执行的时候, 先找派生类里面有没有对应的函数,如果有,就先执行派生类里面的重名函数,如果没有,那么再执行基类里面定义的。

那么,如果派生类里面的函数和基类的函数重名,但形参列表不一样的时候,此时会发生重载现象吗? 答: 不会。 一旦派生类中有同名函数,不管他们的参数是否一样,都会把基类中所有的同名函数遮蔽掉。

这个就不用例子演示了,而是整理下背后的所以然吧。

4.2 作用域嵌套

之前整理过,每个类都会有自己的作用域, 在这个作用域内会定义类的成员,那么,当存在继承关系的时候, 派生类的作用域嵌套在基类的作用域之内,如果一个名字在派生类的作用域没有找到,编译器会继续到外层的基类作用域查找该名字的定义。

两条:

  • 一旦在外层作用域中声明或定义了某个名字, 那么它嵌套着的所有内层作用域都能访问这个名字
  • 同时,允许在内层作用域重新定义外层作用域中已经有的名字

看个嵌套作用域的例子:

class A{public:    void func();public:    int n = 500;};void A::func(){ cout<<"hello, changjinhu!!!"<<endl; }class B: public A{public:    int n = 5000;    int m;};class C: public B{public:    int n = 50000;    int x;};int main(){    C obj;    cout << obj.n << endl;    obj.func();    cout<<sizeof(C)<<endl;    return 0;}

这个例子中的继承关系, B继承A, C继承B,那么作用域的嵌套关系如下:

  • obj是C类的对象, 访问成员变量n时,由于C类自己有n, 那么编译器就会直接用,此时不会去B或者A中找,即派生类中的成员变量会遮蔽基类中的成员变量。
  • 访问成员函数func()的时候,编译器没有在C类里面找到func这个名字,会继续到B作用域找,也没有找到,再往外,从A里面找到了,于是,调用A类作用域的func()函数。
  • 对于成员变量,名字查找过程好理解,成员函数要注意,编译器仅仅是根据函数名字查找,不理会函数参数,所以一旦在内层作用域找到同名函数,不管有几个,编译器都不会再到外层作用域查找,编译器仅仅把最内层作用域的这些同名函数作为一组候选, 而也只有这组候选构成一组重载函数。 即只有一个作用域内的同名函数才会有重载关系,不同作用域的同名函数会造成遮蔽,外层函数会被内层遮蔽掉, 这其实也是重载和重写的一个区别了。

有了上面这些,就能回答上面的两点疑问:

  1. 构造函数的参数初始化列表那里, 初始化列表里面要列本类作用域里面的成员,如果是外层作用域,会报错找不到成员
  2. 派生类和基类拥有不同的作用域,所以它们的同名函数不具有重载关系, 而是重写或者覆盖。

5. C++继承时的对象内存模型

没有继承时对象内存的分布情况,成员变量和成员函数分开存储:

  • 对象的内存中只包含成员变量,存储在栈区或者堆区(new创建)
  • 成员函数与对象内存分离,存储在代码区

有继承关系的时候, 派生类的内存模型可以看成是基类成员变量和新增成员变量的总和,所有成员函数仍然存储在另外一个区域–代码区,由所有对象共享。

看个例子:

class A{public:    A(int a, int b);protected:    int m_a;    int m_b;};A::A(int a, int b): m_a(a), m_b(b){}class B
            
                     
             
               

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