【C++】——继承（下）

【C++】——继承（下）

• 5 继承与友元
• 6 继承与静态成员
• 7 多继承
• • 7.1 继承模型
  • 7.2 菱形继承的问题
  • 7.3 虚继承
  • 7.4 多继承中的指针偏移问题
• 8 组合与继承

5 继承与友元

  友元关系不能被继承。即一个函数是父类的友元函数，但不是子类的友元函数。也就是说父类的友元不能访问子类的私有和保护成员

class Person{public :friend void Display(const Person& p, const Student& s);protected:string _name; // 姓名};class Student : public Person{protected :int _stuNum; // 学号};void Display(const Person& p, const Student& s){cout << p._name << endl;cout << s._stuNum << endl;}int main(){Person p;Student s;Display(p, s);return 0;}

  这里出现了许多报错，但没关系，我们先看框出来的这一条
  这条报错说缺少\",\"，一般出现这种报错，而我们检查出并没有\",\"的相关问题时，通常都是 类型出问题了，一般是我们没有定义某个类型但我们直接去使用就会出现这种报错。
  编译器遇到一个类型、变量、函数时都只会向上查找，这是为了提高编译速度
  出现报错的原因是friend void Display(const Person& p, const Student& s);中我们使用了 $Student$ 类型，它的定义在下面。但 $Student$ 是 $Person$ 的继承，又不可能将其放在 $Person$ 的前面，我们可以在 $Person$ 前加上 $Student$ 的前置声明

class Student;

  
  解决这个问题后报错就少很多啦，我们再看看剩下的报错

  这里就是友元函数的问题啦。$Display()$ 是 $Person$ 的友元，但友元关系不能继承下来，因此 $Display()$ 不是 $Student$ 的友元。解决方法也很简单，在 $Student$ 中加一个有元声明就好

//前置声明class Student;class Person{public :friend void Display(const Person& p, const Student& s);protected:string _name; // 姓名};class Student : public Person{public: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;}

6 继承与静态成员

  父类定义了 $static$ 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。
  而普通成员，假设父类有一个_name，子类继承下来也有另一个_name，但是他们两个_name不是同一个，各自是各自的。

我们来演示一下：

class Person{public :string _name;static int _count;};int Person::_count = 0;class Student : public Person{protected :int _stuNum;};int main(){Person p;Student s;// 这⾥的运⾏结果可以看到⾮静态成员_name的地址是不⼀样的// 说明派⽣类继承下来了，⽗派⽣类对象各有⼀份cout << &p._name << endl;cout << &s._name << endl;// 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的// 说明派⽣类和基类共⽤同⼀份静态成员cout << &p._count << endl;cout << &s._count << endl;// 公有的情况下，⽗类子类指定类域都可以访问静态成员cout << ++Person::_count << endl;cout << ++Student::_count << endl;// 也可以通过对象进行访问cout << ++p._count << endl;cout << ++s._count << endl;return 0;}

运行结果：

  虽然静态变量可以通过对象访问，但一般不这么做，大多数都是直接指定类域去访问

7 多继承

7.1 继承模型

• 单继承：一个子类只有一个直接父类时，称为这个继承关系为单继承

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。多继承对象在内存中的模型是，先继承的父类在前面，后继承的父类在后面，子类成员放在最后面

多继承

• 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。支持多继承就一定会有菱形继承，像 $Java$ 就直接不支持多继承，规避掉了这里的问题，所以实践中我们是不建议设计出菱形继承这样的继承模型的

菱形继承

7.2 菱形继承的问题

  菱形继承是很坑的，有数据冗余（浪费空间）和二义性（不知访问哪个）的问题，现实中不想被打就不要设计出菱形继承（多继承是没问题的，不要搞出菱形继承就行）。

  我们通过代码来看一下菱形继承存在的问题

class Person{public:string _name; // 姓名};class Student : public Person{protected :int _num; //学号};class Teacher : public Person{protected :int _id; // 职⼯编号};class Assistant : public Student, public Teacher{protected :string _majorCourse; // 主修课程};

  
  上述就是菱形继承，$Person$ 成员在 $Assistant$ 对象中有两份。我们试着访问 $Person$ 的成员 _$name$

int main(){Assistant a;a._name = \"peter\";return 0;}

  
  我们需要指定访问那个父类成员的成员可以解决二义性的问题，但是数据冗余问题无法解决

int main(){Assistant a;a.Student::_name = \"xxx\";a.Teacher::_name = \"yyy\";return 0;}

虽然解决了二义性，但数据冗余问题无法解决，Person 有两份

  
  不仅如此，因为数据冗余，导致菱形继承对象的大小特别大

int main(){Assistant a;cout << sizeof(Assistant) << endl;return 0;}

  那么现实中有没有人设计出菱形继承呢？还真有，我们简单看一下

  虽然但是，别学他
  

7.3 虚继承

  为了解决菱形继承的问题，C++ 引入了虚继承的概念，新增关键字：$virtual$

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};

  注意：因为是Person有数据冗余和二义性，所以是 Student 和 Teacher 继承 Person 时是虚继承，加 virtual 关键字
  

int main(){Assistant a;a._name = \"peter\";a.Student::_name = \"xxx\";a.Teacher::_name = \"yyy\";return 0;}

  加了虚继承后，就只有一份 $Person$ 成员了，共用了。既可以直接访问也可以指定类域访问。

  这里虽然监视窗口显示的是 3 个 $Person$，到那实际上他们是共用的。
  

  其实库中的菱形继承也是用虚继承来解决的

template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>class basic_ostream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>{};template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>>class basic_istream : virtual public std::basic_ios<CharT, Traits>{};

  那虚继承对 $Student$ 和 $Teacher$ 有什么影响吗？
  底层的角度有一些影响，用的角度没有影响。从用的角度来说 $Student$ 和 $Teacher$ 就是一个单继承。$virtual$ 真正影响的是下面的 $Assistant$

注：$Student$ 和 $Teacher$ 都要给虚继承，不能只给其中一个虚继承

  那这样算不算菱形继承呢？
  算的，菱形继承并不是看是否构成菱形，而是看某个类是否被重复继承，是否产生数据冗余和二义性。

  那如果我们要加虚继承，该加在哪里呢？
  $B$ 和 $C$。因为虚继承是：谁会产生数据冗余和二义性，谁继承它时就要虚继承。在 $E$ 中是 $A$ 有数据冗余二义性，所以 $B$、$C$ 继承 $A$ 时使用虚继承

  那能不能全部加上虚继承呢？$D$ 和 $E$ 都加上
  不要，毕竟是药三分毒。

  总结：单继承和多继承可以用，但使用多继承时不要设计出菱形继承

7.4 多继承中的指针偏移问题

• 下面说法中正确的是（）
  A：p1 == p2 == p2    B：p1 < p2 < p3    C：p1 == p3 != p2    D：p1 != p2 != p3    E：p2 == p3 != p1

class Base1 { public: int _b1; };class Base2 { public: int _b2; };class Derive : public Base2, public Base1 { public: int _d; };int main(){Derive d;Base1* p1 = &d;Base2* p2 = &d;Derive* p3 = &d;return 0;}

要做对这道题，我们要知道下面两个知识点：

• 子类给给父类的对象/指针/引用，会发生切片；子类对象给子类指针，指向的是整个子类对象，子类对象给父类指针，指向的是子类对象中父类的那一部分
• 多继承对象在内存中的声明是先继承的基类在前⾯，后⾯继承的基类在后⾯，派⽣类成员在放到最后⾯

 
  首先，$p3$ 指向开始肯定是没问题的。对 $p2$：将子类对象给父类指针，其会指向子类中父类的那一部分，$p2$ 指向 $Base2$，因为 $Base2$ 先继承，所以 $p2$ 也指向开始。$p1$ 则指向子类对象 $Base1$ 的部分，$p1$ 不可能再指向开始，它发生了偏移。这题选 E

8 组合与继承

• $public$ 继承是一种 $is$-$a$ 的关系。也就是说每个子类对象都是一个父类对象
• 组合 是一种 $has$-$a$ 的关系。假设 $B$ 组合了$A$，每个 B 对象都有一个 A 对象

  什么意思呢？我举个例子大家就明白了

//组合class Stack{public://成员函数private:vector<int> v;};//继承class Stack : public vector<int>{};

我们再来看下 $is$-$a$ 与 $has$-$a$：

• 组合是一种 $has$-$a$ 的关系：栈有一个数组
• 继承是一种 $is$-$a$ 的关系：栈是一个数组

• 继承允许你根据父类的实现定义子类的实现。这种通过生成子类的复用通常称为白箱复用（white-box reuse）。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，父类的内部细节对子类可见。继承一定程度破坏了父类的封装，父类的改变，对子类有很大的影响。子类和父类间的依赖关系很强，耦合度很高
• 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类获得。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的封装
    

什么是黑什么是白呢？
测试中分为黑盒测试和白盒测试

• 黑盒测试：指看不见里面的实现，也不需要看见你的实现。比如现在有一个新的 APP，我只需要从用户用的角度去测试。黑盒测试有些地方也叫功能测试
• 白盒测试：白盒测试要了解其底层实现，从代码运行逻辑角度进行测试。
    
  白盒测试明显比黑盒测试更难

  那是耦合度高好还是耦合度低好呢？肯定是耦合度低好

  比如现在有两个模块，模块一有100个接口函数，且全部对模块二透明，那模块二就能使用模块一的任意多个函数接口来实现自己的功能。但如果模块一今天把这个函数的参数类型改了，明天吧那个函数的参数个数给改了，因为模块二是依赖模块一的，模块二也只能跟着改。
  但如果模块一虽然有100个函数接口，但只提供5个最关键函数接口给模块二。这时，两模块之间的耦合度就大大降低，只要模块一不改那5个函数，其他95个函数随便改都不影响模块二。

  所以软件工程中提出了一个低耦合、高内聚的概念。高内聚可以认为是一个模块里面关系越紧密越好， 没关系的就拿出去

  所以两个类的关系是继承好还是组合好呢？明显是组合更好，因为继承关系下，父类的任何改动都可能会影响子类
  

• 优先使用组合，而不是继承。实际尽量多去用组合，组合的耦合度低，代码维护性好。不过也不是那么绝对，类之间的关系更适合继承（$is$-$a$）那就用继承，另外要实现多态，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。

  
比如：$Tire$(轮胎) 和 $Car$(车) 更符合 $has$-$a$ 的关系

class Tire {protected:string _brand = \"Michelin\"; // 品牌size_t _size = 17; // 尺⼨};class Car {protected:string _colour = \"⽩⾊\"; // 颜⾊string _num = \"陕ABIT00\"; // ⻋牌号Tire _t1; // 轮胎Tire _t2; // 轮胎Tire _t3; // 轮胎Tire _t4; // 轮胎};

  车 $has$-$a$ 轮胎是正常的，但车 $is$-$a$ 轮胎就是错的

  但 $Car$ 和 $BMW$ / $Benz$（宝马/奔驰）更符合 $is$-$a$ 的关系

class BMW : public Car {public:void Drive() { cout << \"好开-操控\" << endl; }};// Car和BMW/Benz更符合is-a的关系class Benz : public Car {public:void Drive() { cout << \"好坐-舒适\" << endl; }};

  只能说宝马/奔驰 $is$-$a$ 车，不能说宝马/奔驰 $has$-$a$ 车
  

//组合class Stack{public://成员函数private:vector<int> v;};//继承class Stack : public vector<int>{};

  但既可以说：栈有一个数组，也可以说：栈是一个数组，这种情况下优先使用组合。

  判断两个类型适合组合还是继承，就用 $is$-$a$ 和 $has$-$a$ 来判断

  好啦，本期关于继承的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在 C++ 的学习路上一起进步！