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4.3 类之间的关系(Relationships between classes)

作者: 微凉 来源: 怪哈哈网 日期: 2015-09-12 11:50:39 人气: -

友元函数(Friend functions)

在前面的章节中我们已经看到了对class的不同成员存在3个层次的内部保护:public, protected 和 private。在成员为 protected 和 private的情况下,它们不能够被从所在的class以外的部分引用。然而,这个规则可以通过在一个class中使用关键字friend来绕过,这样我们可以允许一个外部函数获得访问class的protected 和 private 成员的能力。

为了实现允许一个外部函数访问class的private 和 protected 成员,我们必须在class内部用关键字friend来声明该外部函数的原型,以指定允许该函数共享class的成员。在下面的例子中我们声明了一个 friend 函数 duplicate:

    // friend functions
    #include <iostream.h>
    
    class CRectangle {
        int width, height;
      public:
        void set_values (int, int);
        int area (void) {return (width * height);}
        friend CRectangle duplicate (CRectangle);
    };
    
    void CRectangle::set_values (int a, int b) {
        width = a;
        height = b;
    }
    
    CRectangle duplicate (CRectangle rectparam) {
        CRectangle rectres;
        rectres.width = rectparam.width*2;
        rectres.height = rectparam.height*2;
        return (rectres);
    }
    
    int main () {
        CRectangle rect, rectb;
        rect.set_values (2,3);
        rectb = duplicate (rect);
        cout << rectb.area();
    }			
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函数duplicate是CRectangle的friend,因此在该函数之内,我们可以访问CRectangle 类型的各个object的成员 width 和 height。注意,在 duplicate()的声明中,及其在后面main()里被调用的时候,我们并没有把duplicate 当作class CRectangle的成员,它不是。

friend 函数可以被用来实现两个不同class之间的操作。广义来说,使用friend 函数是面向对象编程之外的方法,因此,如果可能,应尽量使用class的成员函数来完成这些操作。比如在以上的例子中,将函数duplicate() 集成在class CRectangle 可以使程序更短。


友元类 (Friend classes)

就像我们可以定义一个friend 函数,我们也可以定义一个class是另一个的friend,以便允许第二个class访问第一个class的 protected 和 private 成员。

    // friend class
    #include <iostream.h>
    
    class CSquare;

    class CRectangle {
        int width, height;
      public:
        int area (void) {return (width * height);}
        void convert (CSquare a);
    };
    
    Class CSquare {
      private:
        int side;
      public:
        void set_side (int a){side=a;}
        friend class CRectangle;
    };
    
    void CRectangle::convert (CSquare a) {
        width = a.side;
        height = a.side;
    }
    
    int main () {
        CSquare sqr;
        CRectangle rect;
        sqr.set_side(4);
        rect.convert(sqr);
        cout << rect.area();
        return 0;
    }			
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在这个例子中,我们声明了CRectangle 是CSquare 的friend,因此CRectangle可以访问CSquare 的protected 和 private 成员,更具体地说,可以访问CSquare::side,它定义了正方形的边长。

在上面程序的第一个语句里你可能也看到了一些新的东西,就是class CSquare空原型。这是必需的,因为在CRectangle 的声明中我们引用了CSquare (作为convert()的参数)。CSquare 的定义在CRectangle的后面,因此如果我们没有在这个class之前包含一个CSquare 的声明,它在CRectangle中就是不可见的。

这里要考虑到,如果没有特别指明,友元关系(friendships)并不是相互的。在我们的CSquare 例子中,CRectangle 是一个friend类,但因为CRectangle 并没有对CSquare作相应的声明,因此CRectangle 可以访问CSquare 的 protected 和private 成员,但反过来并不行,除非我们将 CSquare 也定义为CRectangle的 friend。


类之间的继承(Inheritance between classes)

类的一个重要特征是继承,这使得我们可以基于一个类生成另一个类的对象,以便使后者拥有前者的某些成员,再加上它自己的一些成员。例如,假设我们要声明一系列类型的多边形,比如长方形CRectangle或三角形CTriangle。它们有一些共同的特征,比如都可以只用两条边来描述:高(height)和底(base)。

这个特点可以用一个类CPolygon 来表示,基于这个类我们可以引申出上面提到的两个类CRectangle 和 CTriangle 。

类CPolygon 包含所有多边形共有的成员。在我们的例子里就是: width 和 height。而CRectangle 和 CTriangle 将为它的子类(derived classes)。

由其它类引申而来的子类继承基类的所有可视成员,意思是说,如果一个基类包含成员A ,而我们将它引申为另一个包含成员B的类,则这个子类将同时包含 A 和 B。

要定义一个类的子类,我们必须在子类的声明中使用冒号(colon)操作符: ,如下所示:

class derived_class_name: public base_class_name;

这里derived_class_name 为子类(derived class)名称,base_class_name 为基类(base class)名称。public 也可以根据需要换为protected 或 private,描述了被继承的成员的访问权限,我们在以下例子后会很快看到:

    // derived classes
    #include <iostream.h>
    
    Class CPolygon {
      protected:
        int width, height;
      public:
        void set_values (int a, int b) { width=a; height=b;}
    };
    
    class CRectangle: public CPolygon {
      public:
        int area (void){ return (width * height); }
    };
    
    class CTriangle: public CPolygon {
      public:
        int area (void){ return (width * height / 2); }
    };
    
    int main () {
        CRectangle rect;
        CTriangle trgl;
        rect.set_values (4,5);
        trgl.set_values (4,5);
        cout << rect.area() << endl;
        cout << trgl.area() << endl;
        return 0;
    }			
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10

如上所示,类 CRectangle 和 CTriangle 的每一个对象都包含CPolygon的成员,即: width, height 和 set_values()。

标识符protected 与 private类似,它们的唯一区别在继承时才表现出来。当定义一个子类的时候,基类的protected 成员可以被子类的其它成员所使用,然而private 成员就不可以。因为我们希望CPolygon的成员width 和 height能够被子类CRectangle 和 CTriangle 的成员所访问,而不只是被CPolygon自身的成员操作,我们使用了protected 访问权限,而不是 private。

下表按照谁能访问总结了不同访问权限类型:

可以访问publicprotectedprivate
本class的成员yesyesyes
子类的成员yesyesno
非成员yesnono

这里"非成员"指从class以外的任何地方引用,例如从main()中,从其它的class中或从全域(global)或本地(local)的任何函数中。

在我们的例子中,CRectangle 和CTriangle 继承的成员与基类CPolygon拥有同样的访问限制:

   CPolygon::width           // protected access
   CRectangle::width         // protected access
   CPolygon::set_values()    // public access
   CRectangle::set_values()  // public access
   

这是因为我们在继承的时候使用的是public,记得我们用的是:

class CRectangle: public CPolygon;

这里关键字 public 表示新的类(CRectangle)从基类(CPolygon)所继承的成员必须获得最低程度保护。这种被继承成员的访问限制的最低程度可以通过使用 protected 或 private而不是public来改变。例如,daughter 是mother 的一个子类,我们可以这样定义:

class daughter: protected mother;

这将使得protected 成为daughter 从mother处继承的成员的最低访问限制。也就是说,原来mother 中的所有public 成员到daughter 中将会成为protected 成员,这是它们能够被继承的最低访问限制。当然这并不是限制daughter 不能有它自己的public 成员。最低访问权限限制只是建立在从mother中 继承的成员上的。

最常用的继承限制除了public 外就是private ,它被用来将基类完全封装起来,因为在这种情况下,除了子类自身外,其它任何程序都不能访问那些从基类继承而来的成员。不过大多数情况下继承都是使用public的。

如果没有明确写出访问限制,所有由关键字class 生成的类被默认为private ,而所有由关键字struct 生成的类被默认为public。


什么是从基类中继承的? (What is inherited from the base class?)

理论上说,子类(drived class)继承了基类(base class)的所有成员,除了:

  • 构造函数Constructor 和析构函数destructor
  • operator=() 成员
  • friends

虽然基类的构造函数和析构函数没有被继承,但是当一个子类的object被生成或销毁的时候,其基类的默认构造函数 (即,没有任何参数的构造函数)和析构函数总是被自动调用的。

如果基类没有默认构造函数,或你希望当子类生成新的object时,基类的某个重载的构造函数被调用,你需要在子类的每一个构造函数的定义中指定它:

derived_class_name (parameters) : base_class_name (parameters) {}

例如 (注意程序中黑体的部分):

    // constructors and derivated classes
    #include <iostream.h>
    
    class mother {
      public:
        mother ()
          { cout << "mother: no parameters\n"; }
        mother (int a)
          { cout << "mother: int parameter\n"; }
    };
    
    class daughter : public mother {
      public:
        daughter (int a)
          { cout << "daughter: int parameter\n\n"; }
    };
    
    class son : public mother {
      public:
        son (int a) : mother (a)
          { cout << "son: int parameter\n\n"; }
    };
    
    int main () {
        daughter cynthia (1);
        son daniel(1);
        return 0;
    }			
mother: no parameters
daughter: int parameter

mother: int parameter
son: int parameter

观察当一个新的daughter object生成的时候mother的哪一个构造函数被调用了,而当新的son object生成的时候,又是哪一个被调用了。不同的构造函数被调用是因为daughter 和 son的构造函数的定义不同:

   daughter (int a)          // 没有特别制定:调用默认constructor
   son (int a) : mother (a)  // 指定了constructor: 调用被指定的构造函数
   


多重继承(Multiple inheritance)

在C++ 中,一个class可以从多个class中继承属性或函数,只需要在子类的声明中用逗号将不同基类分开就可以了。例如,如果我们有一个特殊的class COutput 可以实现向屏幕打印的功能,我们同时希望我们的类CRectangle 和 CTriangle 在CPolygon 之外还继承一些其它的成员,我们可以这样写:

class CRectangle: public CPolygon, public COutput {
class CTriangle: public CPolygon, public COutput {

以下是一个完整的例子:

    // multiple inheritance
    #include <iostream.h>
    
    class CPolygon {
      protected:
        int width, height;
      public:
        void set_values (int a, int b)
          { width=a; height=b;}
    };
    
    class COutput {
      public:
        void output (int i);
    };
    
    void COutput::output (int i) {
        cout << i << endl;
    }
    
    class CRectangle: public CPolygon, public COutput {
      public:
        int area (void)
          { return (width * height); }
    };
    
    class CTriangle: public CPolygon, public COutput {
      public:
        int area (void)
          { return (width * height / 2); }
    };
    
    int main () {
        CRectangle rect;
        CTriangle trgl;
        rect.set_values (4,5);
        trgl.set_values (4,5);
        rect.output (rect.area());
        trgl.output (trgl.area());
        return 0;
    }			
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