第6章类的继承.

第6章类的继承C++高级程序设计第6章类的继承继承(Inheritance)是C++语言的重要机制，是面向对象程序设计方法的三个基本特征之一。继承允许程序在已有类的基础上进行扩展，是一种重要的代码复用手段。继承反映了类与类之间的一种层次关系，更是现实世界中事物之间存在的复杂联系的体现。继承也体现了人类认识事物由简单到复杂的过程和思考问题的方法。本章着重学习继承这一面向对象程序设计的重要概念，以及在C++语言中实现继承的相关技术。6.1面向对象编程——继承:概念与思想6.2派生类：定义及相关技术6.3派生类的构造与析构6.4多重继承与虚基类6.5案例实训第6章类的继承6.1面向对象编程——继承：概念与思想类的继承机制是指类可以在已定义类的基础上派生出新类，新类将拥有原有类的数据和函数，并且可以增添新的数据和函数成员，或者对原有类中的成员进行更新。在面向对象编程中，原有类被称为基类(BaseClass)或父类(SuperClass)，新产生的类被称为派生类(DerivedClass)或子类(SubClass)。例如，由学生类可以派生出中学生类、大学生类和研究生类。由交通工具类可派生出汽车类、轮船类和飞机类，而汽车类又可充当客车类和卡车类的基类。类的继承有两种方式：单继承和多重继承。单继承的派生类有且仅有一个直接基类，如图6-1中的飞机类是单继承于交通工具类，战斗机类则是单继承于飞机类。在单继承中，可以视派生类是基类的特例。多重继承的派生类具有两个或两个以上的直接基类，如图6-1中的水陆两用车类继承于客车类和客船类。在多重继承中，派生类是从多个基类派生而来，是一个具有多个基类特征的复合体，就像杂交水稻具有不同稻种特性一样。6.1面向对象编程——继承：概念与思想6.1面向对象编程——继承：概念与思想交通工具轮船飞机货车汽车战斗机民航机客车客船货船水陆两用车单继承多重继承图6-1类的单继承和多重继承6.1面向对象编程——继承：概念与思想继承与组合都属于面向对象的代码复用技术。继承和组合既有区别，也有联系。在一些复杂的类的设计中，二者经常是一起使用。在某些情况下，继承和组合的实现方法还可以互换。例如，圆(Circle)类的设计，其圆心用点(Point)类来描述，此时，即可以以Point类为父类设计Circle类，使其拥有圆心坐标，也可以在Circle类中用Point类定义数据成员center。代码框架如下：classPoint{//点类private:doublex,y;public:...};classCircle{//组合private:Pointcenter;doubleradius;public:...};classCircle:publicPoint{//继承private:doubleradius;public:...};6.1面向对象编程——继承：概念与思想6.2派生类：定义及相关技术派生类继承了基类的数据成员和函数成员。C++支持3种继承方式，不同的继承方式决定了基类中成员被派生类继承后的可见性。派生类中可以重定义基类中的同名成员函数。派生类与基类属于同一类族，它们之间存在赋值兼容问题。本节主要介绍派生类的定义、继承方式、成员函数覆盖和赋值兼容等基础知识。6.2派生类：定义及相关技术6.2.1派生类的定义定义派生类的一般格式如下：class派生类名:[继承方式1]基类名1,...,[继承方式n][基类名n]{派生类的成员};其中：与类的定义相似，用关键字class标明是类定义。区别在于派生类名后(用冒号分隔)列出所继承的基类。对于单继承只有一个基类，而多重继承则有多个基类，它们之间用逗号分隔。继承方式有3种：公有继承(public)、私有继承(private)和保护继承(protected)。不指明继承方式等同于私有继承。派生类中的成员包括数据成员和成员函数。与普通类相同，派生类中数据成员的访问控制限定通常是私有的，成员函数是公有的。6.2派生类：定义及相关技术【例6-1】派生类定义与派生类对象中的数据成员和成员函数。运行结果：baseObj:baseData=100derivedObj:baseData=500derivedData=6006.2派生类：定义及相关技术跟踪与观察：(1)从前面的知识可知，对象在逻辑上数据成员与函数成员具有封装性，但在物理上其实是存储在内存的不同区域(堆栈区和代码区)。从图6-2(a)可见，派生类对象derivedObj的数据部分含有两部分数据BaseClass和derivedData(其值为600)，展开BaseClass项，其中含有baseData(其值为500)。对象derivedObj自动包含了基类部分，并且派生类的构造函数通过调用基类的构造函数将500赋给了baseData。(2)从图6-2(b)可见，派生类对象derivedObj继承了基类的公有函数show，DerivedClass::show的值是0x010a14b0，BaseClass::show(void)与BaseClass::show完全相同。6.2派生类：定义及相关技术(a)(b)图6-2派生类对象拥有的数据成员和成员函数派生类继承基类的成员函数也是自动的，系统自动将基类的成员函数show当成派生类的成员函数show，但实际上两者都是同一个函数voidBaseClass::show(void)。6.2派生类：定义及相关技术C++中下列特殊的成员函数不被派生类所继承：①构造函数；②析构函数；③私有函数；④赋值运算符(=)重载函数。构造函数、析构函数和赋值运算符重载函数不被继承的主要原因是基类的对应函数不能处理在派生类引入的新的数据成员，不能完全正确地完成相应的功能(只能正确地处理基类的数据成员)。因而，派生类对象在调用这些函数时会首先调用基类的对应函数。6.2派生类：定义及相关技术在派生类设计时，需要注意下面几点：派生类吸收基类成员。派生类继承吸收了基类的全部数据成员以及除了构造函数、析构函数、赋值和私有函数之外的全部函数成员。派生类修改基类成员。对继承到派生类中基类成员的修改包括两个方面：一是基类成员的访问方式问题，这由派生类定义时的继承方式来控制；二是对基类成员的覆盖，也就是在派生类中定义了与基类中同名的数据成员或成员函数，由于作用域不同，于是发生同名覆盖(Override)，基类中的成员就被替换成派生类中的同名成员。派生类增添新成员。在派生类中，除了从基类中继承过来的成员外，还可以根据需要在派生类中添加新的数据成员和成员函数，以此实现必要的新功能。在派生类中添加新成员是继承和派生机制的核心，它保证了派生类是基类的扩展。6.2派生类：定义及相关技术6.2.2继承方式与访问控制在类的定义中，用访问控制符private、protected和public说明成员的可见性。公有成员能被任何函数所访问，而私有和保护成员仅能接受类的成员函数和类的友元(包括友元函数和友元类)的访问。派生类继承于基类，那么基类成员对派生类函数的可见性如何呢？派生类在定义时需要指定继承方式，所使用的关键字也是private、protected和public，它们分别对应私有继承、保护继承和公有继承3种方式。不同的继承方式决定了基类中的成员在派生类中的可见性，表6-1列出了3种继承方式在派生类中影响基类成员的可见性和访问控制属性的情况。6.2派生类：定义及相关技术表6-1派生类对基类成员的访问能力基类成员继承方式privateprotectedpublicprivate不可访问可访问/私有成员可访问/私有成员protected不可访问可访问/保护成员可访问/保护成员public不可访问可访问/保护成员可访问/公有成员6.2派生类：定义及相关技术表6-1中的“不可访问”和“可访问”表示在派生类中访问基类成员的能力。“私有成员”、“保护成员”和“公有成员”表示基类成员在派生类中访问控制属性变化情况。例如，基类是public的成员采用private继承方式时，表中相应项为“可访问/私有成员”，表示在派生类中可直接访问基类的公有成员，但该成员在派生类中其访问控制属性已被改为是私有成员，因此从派生类对象外不可直接访问基类的公有成员(从基类对象外可以直接访问)。派生类中基类成员访问控制属性的改变直接影响到基类成员在派生类对象外的访问能力。6.2派生类：定义及相关技术从纵向观察表6-1可知：基类的私有成员无论采用怎样的继承方式，它在派生类中均不可访问，也不存在访问控制属性改变的问题。基类中的私有成员只能通过保护或公有的函数访问。基类的保护成员在派生类中所有的继承方式均可直接访问，不过私有继承方式会把基类访问控制属性是保护成员的转换为派生类中的私有成员，而保护和公有继承方式依然保持其为保护成员的访问控制属性。基类的公有成员在派生类中也是可直接访问的，派生类中基类成员的访问控制属性均随继承方式而改变。从横向观察表6-1可知，3种继承方式都不改变从派生类访问基类成员的能力，但私有和保护继承方式均会改变基类成员在派生类中的访问控制属性，而只有公有继承方式保持基类成员的访问控制属性在派生类中不变。在应用中，公有继承方式绝对是主流的派生方式，其他两种方式使用较少。6.2派生类：定义及相关技术如果对private、protected、public这3个关键字的访问控制能力按从高到低的顺序排序，则private最高，protected次之，而public最低。派生类中，基类成员的访问控制属性改变与否其实遵守如下准则：“强者优先”，即由基类成员在基类中的访问控制符和派生类在继承基类时所使用的继承方式符(两者中的“强者”)决定其在派生类中的访问控制属性。【例6-2】3种继承方式对访问控制能力的影响示例。6.2派生类：定义及相关技术程序说明：程序中定义了Base基类，其中含有私有的数据privateData和函数privateFunction，受保护的数据protectedData和函数protectedFunction，公有的数据publicData和函数publicFunction、show和构造函数。在此基础上，分别用3种继承方式定义了派生类privateDerived、protedtedDerived和publicDerived。3个派生类的结构十分相似，除构造函数外，callBaseFunction函数调用Base类的4个成员函数。privateFunction在3个派生类中均不能被调用，而其他函数都可以。在程序的主函数中，定义了3个派生类的对象，并试图通过这些对象调用基类的4个成员函数(privateFunction、protectedFunction、publicFunction和show)，但仅有公有派生对象publicDerivedObj能调用公有函数publicFunction和show。6.2派生类：定义及相关技术6.2.3成员函数的同名覆盖与隐藏改造基类成员函数是派生类在基类上扩展功能的重要手段之一。在派生类中重新定义基类的同名成员函数后，基类中的同名成员函数将被同名覆盖(Override)或隐藏(Hide)。派生类中重定义的同名成员函数的函数签名决定了基类中的成员函数是被同名覆盖还是被隐藏。同名覆盖是由于派生类与基类的同名成员函数的函数签名相同，派生类对象在调用同名成员函数时，系统调用派生类的同名成员函数，而基类的相应函数被遮盖。隐藏是由于派生类与基类的同名成员函数的函数签名不同(即函数名相同而形参不同)，派生类对象在调用同名成员函数时，系统只在派生类中查找，不再深入到基类。派生类的同名成员函数阻止了对基类中同名函数的访问。6.2派生类：定义及相关技术编译器调用类的成员函数的方法是：根据函数名(不是函数签名)沿着类的继承链逐级向上查找相匹配的函数定义。如果在类层次结构的某个类中找到了同名的成员函数，则停止查找，否则沿着继承链向上继续查找。派生中的同名函数阻止编译器到其基类继续查找，