c++面向对象: public 继承, 虚方法, 动态绑定 た 入场券 2022-04-22 11:06 102阅读 0赞 -------------------- title: ‘c++面向对象: public 继承, 虚方法, 动态绑定’ date: 2018-11-04 13:00:34 tags: * oop * public inheritance * virtual methods * dynamic binding categories: cpp blog: [https://withas.me][https_withas.me] -------------------- 学了java中的面向对象后再来学习c++的面向对象, 对两者设计理念上的差异有不少的体会: c++更多地考虑了程序的运行效率(默认静态绑定, 没有垃圾回收等), 把很多繁琐的操作留给了使用者; 而java是贯彻了面向对象的思维, 有一种彻头彻尾的面向对象的感觉, 而把一些背后的机制向使用者隐藏了. 这篇blog主要记录c++中public继承相关的内容. ## Public Inheritance ## c++中有public, protected, private三种继承方式, 其中public是最常用的. public继承描述的是一种**is-a**的关系, derived-class是base-class的一个子集且一般是真子集. 比如从Student类可以派生出Cadre类, Cadre一定是Student, 而Student不一定是Cadre. 这种关系是单向的, 不具有对称性. class Student { private: int id; string name; public: int getId() const { return id; } void setId(int id) { Student::id = id; } const string &getName() const { return name; } void setName(const string &name) { Student::name = name; } }; class Cadre : public Student { private: string duty; public: const string &getDuty() const { return duty; } void setDuty(const string &duty) { Cadre::duty = duty; } }; Cadre由Student派生, 则Cadre直接继承了Student的所有public成员. Private成员也成为了derived-class的一部分, 但是只能通过base-class的public和protected方法访问. 例如Cadre从Student那里继承了name, 但是不能直接访问, 只能通过`Student::getName`访问. class Cadre : public Student { ... public: ... void showInfo() const { cout << Student::getName() << endl; cout << Student::getId() << endl; cout << duty << endl; } }; ### Constructos and Destructos ### class Student { private: int id; string name; public: Student(int id, const string &name) : id(id), name(name) { } ... }; class Cadre : public Student { private: string duty; public: Cadre(int id, const string &name, const string &duty) : Student(id, name), duty(duty) { } ... }; Derived-class不能直接直接访问继承自base-class的private成员, 所以不能在constructors里直接对它们初始化, 必须借助base-class的constructors. 并且base-class必须先于derived-class被构造. 如果要使用base-class的constructor有参数则必须在derived-class的constructor中以初始化参数列表的方式调用, 如上例. 如果不在derived-class的constructor中显式地调用base-class的constructor, 则默认使用base-class的不带参数的constructor(不存在则编译会产生错误). Base-class会先于derived-class被构造. 析构的方向恰与之相反, derived-class的destructor先于base-class被执行. ### Is-a ### 前面提到过public继承是一种is-a的关系, 所以base-class的指针可以指向derived-class的对象, base-class的引用可以引用derived-class的对象. Student *pc = new Cadre(1, "J", "monitor"); Student &rc = *pc; 但是通过base-class的指针和引用只能使用base-class存在的属性, 如: rc.getId();//ok rc.getDuty();//error ## Virtual Methods ## ### Redefine ### 有时候为了让derived-class有不同的功能我们可能需要重写base-class的方法. class Student { private: int id; string name; public: void showInfo() const { cout << name << endl; cout << id << endl; } }; class Cadre : public Student { private: string duty; public: void showInfo() const { cout << Student::getName() << endl; cout << Student::getId() << endl; cout << duty << endl; } }; 这样我们对Student对象和Cadre的对象分别调用showInfo的时候就会输出不同的结果. 但是这样会产生一个问题: Cadre *pc = new Cadre(1, "J", "monitor"); Student &rc = *pc; pc->showInfo(); cout << endl; rc.showInfo(); /*output: J 1 monitor J 1*/ 同一个Cadre对象, 用它自己的指针调用和用Student的引用调用时结果不一样. 查看输出结果可以知道用Student的引用调用的时候运行的是`Student::showInfo`, 而非在Cadre中重写的方法. ### Virtual methods ### 为了让base-class引用的derived-class可以调用derived-class重写的方法, 我们可以使用**virtual**. class Student { public: ... virtual void showInfo() const { cout << name << "\t" << id; } }; class Cadre : public Student { public: ... virtual void showInfo() const { Student::showInfo();//reusing code cout << "\t" << duty; } }; 再来看看输出结果: Cadre *pc = new Cadre(1, "J", "monitor"); Student &rc = *pc;//Student reference pc->showInfo(); cout << endl; rc.showInfo();//invoke Cadre::showInfo() instead of Student::showInfo() /*output: J 1 monitor J 1 monitor */ 如果不使用**virtual**, 调用的方法取决于引用或者指针的类型; 使用, 则由引用或者指向的对象本身决定, 也就是说可以使用base-class的引用或者指针调用在derived-class的重写的方法. 当base-class中的方法被标记为virtual时, derived-class中重写的方法也被自动标记为virtual. 不过一般为了方便阅读, 也将derived-class中重写的方法标记为virtual. 对于base-class中在derived-class被重写的方法一般都会被标记为virtual. 另外有derived-class的base-class的destructors最好被标记为virtual. class A { private: string *a; public: A() { a = new string("Hello"); } ~A() { delete a; } }; class B : public A { private: string *b; public: B() : A() { b = new string("world"); } ~B() { delete b; } }; int main() { A *pb = new B(); delete pb; } `delete pb`时会直接调用`A::~A()`, B中b的内存没有成功被释放. 所以为了内存的正确释放最好把base-class的destructor标记为virtual. ## Static and Dynamic Binding ## 绑定是指调用哪个具体的方法. 例如上面不加virtual关键词时`rc.showInfo`会调用引用类型的`showInfo`, 即`Student::showInfo;` 而加上virtual会调用`Cadre::showInfo`. Cadre *pc = new Cadre(1, "J", "monitor"); Student &rc = *pc;//Student reference rc.showInfo(); static binding是指在编译的时候就决定了调用的方法, 而dynamic binding是在程序运行过程中才能决定(因为对于一个base-class的指针可能指向base-class也可能指向derived-class). 这种dynamic binding的特性被称为多态. c++默认的绑定方式是static binding. 对于dynamic binding对象内部会增加一个virtual function table (vtbl), 它负责记录这个对象应该调用的方法. 尽管dynamic binding看上去有更多的好处, 然而c++默认的绑定方式是static binding, 这样程序的运行效率更高. 与之对比, java中没有virtual function, 它默认的就是动态绑定. dynamic binding产生的多态有什么好处呢? 看下面这个例子: class Class { private: vector<Student *> students; public: void addStudent(Student *student) { students.push_back(student); } void listStudent() { for (auto &s: students) { s->showInfo(); cout << endl; } } }; // Class cla; Student a = Student(1, "Y"); Cadre b = Cadre(2, "Z", "monitor"); Student c = Student(3, "W"); cla.addStudent(&a); cla.addStudent(&b); cla.addStudent(&c); cla.listStudent(); /*output Y 1 Z 2 monitor W 3 */ 在Class中我们全都储存的是Student的指针, 在打印Student List的时候就可以根据指向的具体对象输出相应的信息. ## Code ## 完整演示代码: #include <iostream> #include <vector> using namespace std; class Student { private: int id; string name; public: Student(int id, const string &name) : id(id), name(name) { } int getId() const { return id; } void setId(int id) { Student::id = id; } const string &getName() const { return name; } void setName(const string &name) { Student::name = name; } virtual void showInfo() const { cout << name << "\t" << id; } virtual ~Student() { } }; class Cadre : public Student { private: string duty; public: Cadre(int id, const string &name, const string &duty) : duty(duty), Student(id, name) { } const string &getDuty() const { return duty; } void setDuty(const string &duty) { Cadre::duty = duty; } virtual void showInfo() const { Student::showInfo(); cout << "\t" << duty; } }; class Class { private: vector<Student *> students; public: void addStudent(Student *student) { students.push_back(student); } void listStudent() { for (auto &s: students) { s->showInfo(); cout << endl; } } }; int main() { Cadre *pc = new Cadre(1, "J", "monitor"); Student &rc = *pc; pc->showInfo(); cout << endl; rc.showInfo(); delete pc; cout << endl; Class cla; Student a = Student(1, "Y"); Cadre b = Cadre(2, "Z", "monitor"); Student c = Student(3, "W"); cla.addStudent(&a); cla.addStudent(&b); cla.addStudent(&c); cla.listStudent(); return 0; } -------------------- 懒惰的我终于又开始更新了. 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