C++面向对象程序设计

前言

面向对象有三个核心概念，抽象、继承、多态。

数据抽象就是多类事物的共同特征抽象出来，抽象出一个类，这个类定义了接口。

继承是描述类与类之间的关系，是一种包含关系。比如苹果和梨子都是水果，水果是基类，它包含苹果和梨子的共同特征（数据特征、行为特征），而苹果和梨是派生类，有它们自己独有的特征。

多态，c++主要指的是动态绑定，根据里氏替换原则，使用父类的地方都可以用子类去替换。在运行时，根据实际类型（c++称为动态类型）来调用实际类型的方法，已达到复用的目的。

我们在之前 类 的那一章已经分析过数据抽象的基本知识了。本文主要分析继承和动态绑定（更加严格来说）。

继承和动态绑定对程序有两方面的影响：

1. 更容易的定义与其他类相似但不完全相同的新类 (继承)
2. 在一定程度上忽略这些彼此相似的类编写程序（动态绑定）

// 继承class Quote {public:    std::string isbn() const;    // 希望派生类定义自己的版本    virtual double net_price(int n) const;  };class Bulk_quote : public Quote {public:    // 1. virtual 可加可不加；2.override显示的告诉编译器这个方法重写了基类的虚函数    virtual double net_price(int n) const override; };// 动态绑定double print_total(ostream &os, const Quote &item, int n) {    // 使用基类引用编程，运行时根据引用的动态类型选择实际类型的虚函数    double ret = item.net_price(n);    cout << ret << endl;}Quote basic;Bulk_quote bulk;print_total(cout, basic, 20); // 调用 Quote::net_priceprint_total(cout, bulk, 20); // 调用 Bulk_quote::net_price

注意：

c++ 中，使用基类的引用或者指针调用虚函数来发生动态绑定

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1. 定义基类和派生类

• 基类

基类集中了派生类共有的特征，通过将函数设置成虚拟函数来说明希望派生类定义自己的版本，而如果派生类没有定义自己的版本，则会继承基类的版本，并且隐式保持着虚拟的状态。

class Quote {public:    Quote() = default;    virtual ~Quote() = default; // 对析构函数进行动态绑定 };

基类通常需要定义一个虚析构函数，即使该函数不执行任何实际操作。因为，我们知道动态绑定需要基类定义虚函数，如果基类的析构函数不是虚拟的，用基类的引用或者指针来编程，并不会发生动态绑定。

任何构造函数之外的，非静态的函数都可以是虚函数。另外，virtual关键字只能出现在类的内部。

派生类继承基类的成员，但是派生类的成员函数不一定有权访问继承而来的成员。需要看基类定义的成员访问控制符。

• 派生类

派生类通过类派生列表指明从哪个（哪些）基类继承而来。

class Bulk_quote : public Quote {public:    Bulk_quote() = default;    double net_price() const override;private:    int min_qty = 0; // 可以定义派生类自己的数据成员    double discount = 0.0;  };

类派生列表包含了派生访问说明符，这个符号说明的是如何继承基类的成员，即基类的成员对于派生类的用户的可见性。和基类的成员访问符的作用没有关系。

派生类可以不覆盖继承的虚函数。另外，派生类中覆盖的函数不必使用virtual关键字。但是一定得记住的是，这个函数一定还是虚的。可以通过override显示告诉编译器，我覆盖了虚方法，请检查。

• 派生类向基类的类型转换

派生类对象组成部分：

1. 派生类自己定义的非静态成员子对象。
2. 继承基类对应的子对象，如果是多继承，则有多个

正因为派生类对象中含有与其基类对应的组成部分，所以

1. 可以把派生类对象当成基类对象来使用
2. 能将基类的指针或引用绑定到派生类的对象上来

Quote item; // 基类Bulk_quote bulk; // 派生类 Quote *p = &item; // p 指向 Quote对象 p = &bulk; // p 指向 bulk 的 Quote 部分Quote &r = bulk; // r 绑定到 bulk 的 Quote 部分

• 关于构造函数

记住一点：每个类控制它自己的成员初始化过程

因此，我们很容易明白，派生类对象含有从基类继承而来的成员，但是派生类不能直接初始化它们。派生类必须使用基类的构造函数来初始化它们。

Bulk_quote(const string &book, double p, int qty, double disc)        : Quote(book, p), min_qty(qty), discount(disc) {}        // 使用基类构造函数初始化基类部分

另外，初始化的顺序是：

1. 首先初始化基类的部分
2. 按照声明的顺序依次初始化派生类的数据成员

如果没有指出基类的构造函数，执行基类的默认初始化。

• 关于静态成员

如果基类定义了静态成员，在整个继承体系中只存在该成员的唯一定义。

• 防止继承的发生 (final)

final 关键字有两个作用

1. 定义类为final，不允许其他类继承它
2. 定义类中的方法为final，不允许其它函数覆盖它

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2. 类型转换与继承

理解类型转换非常重要。关键在于理解静态类型和动态类型的关系。

注意:

和内置指针一样，智能指针也支持派生类向基类的转换

变量有静态类型和动态类型。

• 静态类型指变量声明的类型，编译期可以确定的
• 动态类型指变量表示的对象的类型，是内存中对象的类型，运行时才可知

那么，容易知道，如果变量或者表达式不是引用也不是指针，那么它的动态类型与静态类型永远是一致的。只有指针或者引用才有可能静态类型与动态类型不一致。

不存在从基类向派生类的隐式类型转换（判断的关键：编译期来检查静态类型转换是否合法）

Quote base;Bulk_quote *bulkp = &base; // 错误：不能将基类转换成派生类Bulk_quote &bulkRef = base; // 错误：不能讲基类转换成派生类Bulk_quote bulk;Quote *itemp = &bulk; // 正确Bulk_quote *bulkp = itemp; // 错误：不能将基类转换成派生类，即使动态类型是派生类

当然，如果转换是安全的，可以使用static_cast或者dynamic_cast强制转换

对象之间不存在类型转换，如果派生类转基类，会被切掉一部分，这些是由拷贝构造函数和赋值操作符来决定的。

Bulk_quote bulk;Quote item(bulk); // 使用Quote::Quote(const Quote &) 拷贝构造函数 item = bulk;  // 使用Quote::operator=(const Quote &) 赋值运算符

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3. 虚函数

使用引用或者指针来发生动态绑定

非虚函数的调用发生在编译期，根据静态类型来调用

一旦函数声明成虚函数，它在所有派生类中都是虚函数

注意

1 派生类的函数如果覆盖继承来的虚函数，它的形参必须与被覆盖的基类虚函数完全一致

2 返回类型也必须与基类函数一致，有一个例外，但返回类型是类本身的指针或引用时，这种例外必须要从 D 到 B 的类型转换是可访问的。

关于默认实参

如果虚函数使用默认实参，基类和派生类的定义的默认实参最好一致。

回避虚函数机制

即使用特定版本的虚函数，使用作用域操作符 ::

double undiscounted = baseP -> Quote::net_price(42); // 强制使用基类的版本而不管动态类型

通常的使用场景是，基类的虚函数执行了一些共同的任务，派生类的版本需要直接调用，并执行一些自己的操作。

如果没有使用作用域操作符，派生类虚函数调用基类版本，会在运行时调用自己，从而导致无限递归。

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4. 抽象基类

某些情况下，一些类并不需要被创建，它的作用只是定义一个接口，或者提供公共部分的特征。我们称这样的类为抽象类。c++中并没有像java那样可以声明类为抽象类。c++通过将虚函数声明成纯虚函数，来将一个类作为抽象类。

抽象类可以作为引用和指针使用。

class Disc_quote : public Quote { // Disc_quote 为抽象类，不能创建对象public:    Disc_quote() = default;    double net_price(int) const = 0; // 声明为纯虚函数protected:    int quantity = 0;    double discount = 0;    };// 纯虚函数的定义必须在类外double Disc_quote::net_price(int t) {    return discount;}

注意 ：

派生类必须要覆盖抽象基类的纯虚函数，否则它们仍然是抽象的。

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5. 访问控制与继承

关于这个问题，分两部分来看。

一方面，基类使用访问控制符来表达基类的成员的是否可以访问，三个级别

• public: 公有的，所有人可见
• protected: 受保护的，仅派生类和友元可见（用户不可见！！！）
• private: 私有的，仅友元可见

注意

派生类的成员或友元，只能通过派生类对象来访问基类的受保护成员。派生类对于一个基类对象中的受保护成员没有任何访问权（这时派生类仅仅是一个用户）

class Base {protected:    int prot_mem;   };class Sneaky : public Base {    friend void clobber(Sneaky &);    friend void clobber(Base &);    int j;  };// 因为是Sneaky的友元，可以访问Sneaky的private和protectedvoid clobber(Sneaky &s) {    s.j = s.prot_mem = 0; // 正确，clobber能够访问Sneaky对象的private和protected成员}// 虽然是友元void clobber(Base &b) {    b.prot_mem = 0; // 错误，不能访问一个基类对象的protected成员}

另一方面，继承有访问控制，分为公有继承、私有继承、受保护继承。这个继承说明的仅仅是基类的成员被派生类继承了之后，它的访问控制权限要如何改变。受到两个因素的影响，其一是在基类中的访问控制符，其二是继承的访问控制符。

1. 公有继承，基类中访问控制符是什么样，照样是什么样
2. 受保护继承，基类中是public，则变成protected，基类是protected，还是protected
3. 私有继承，基类所有都变成private

一定要注意的是，这里仅仅指的基类的成员被继承之后，在派生类的控制访问符变成什么样。

派生访问说明符 对派生类的成员（或友元）能否访问到其直接基类的成员没有什么关系

注意，直接基类！！！

通过以上，我们知道，派生访问符目的是控制派生类用户(包括派生类的派生类)对于基类成员的访问权限。

关于派生类向基类转换的可访问性

记住一点，只有当D公有继承B时，用户代码才能使用派生类向基类的转换；如果D继承B的方式是受保护或者私有继承，则用户代码不能使用该转换

而不论D以什么方式继承B，D的成员函数和友元函数都能够使用派生类向基类的转换。

关于友元和继承

友元关系不传递，不继承

如何改变个别成员的可访问性

使用using声明

class Base {public:    int size() const {return n;}protected:    int n;  };class Derived : private Base { // 私有继承，默认应该是私有的，但。。。public:    using Base::size; // 基类size方法的访问权限由前面的public决定protected:    using Base::n; // 基类n数据成员由前面的protected决定};

默认继承保护级别！！！！

1. class 默认是私有继承
2. struct 默认是公有继承

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6. 继承中的类作用域

记住一点，派生类的作用域嵌套在其基类的作用域之内。

如果一个名字在派生类作用域无法解析，则在外层基类作用域中查找。

注意只会往当前派生类到继承链的顶端找，不会往继承链的末端找

名字查找优先于类型检查

因此，声明在内存作用域的函数并不会重载声明在外层作用域的函数，也就是说派生类的函数不会重载其基类的函数，只会隐藏基类的函数，即使派生类的成员和基类的成员形参列表不一致。（名字查找，只查找函数名）

但是，如前面所说，可以使用作用域操作符调用基类的成员

struct Base {    int func(); };struct Derived : Base {    int func(int);  };Derived d;Base b;b.func(); // 调用 Base::func()d.func(10); // 调用 Derived::func()d.func(); // 错误：基类的func被隐藏了d.Base::func(); // 正确：通过作用域操作符调用 Base::func()

关于虚析构函数

定义虚析构函数的意义在于，如果delete指向派生类对象的基类指针，根据动态绑定，调用的是派生类的析构函数，这正是我们想要的。

如果基类的析构函数不是虚函数，则delete一个指向派生类对象的基类指针会产生未定义的行为。

我们之前还说过一个三\五法则，如果一个类需要析构函数，那么它同样需要拷贝和赋值。注意，基类的析构函数并不遵循，这是一个重要的例外。

虚拟析构函数将阻止合成移动操作。

析构顺序（和构造顺序相反）：

1. 派生类的析构函数首先执行
2. 然后是基类的析构函数（直到继承链的顶端）