第 15 章繼承與多重繼承

第15章繼承與多重繼承 • 15-1 繼承的基礎 • 15-2 覆寫與隱藏父類別的成員 • 15-3 子類別的建構與解構子 • 15-4 多重繼承 • 15-5 軟體工程與繼承 • 15-6 類別的型態轉換與檢查

15-1 繼承的基礎 • 15-1-1 類別繼承的基礎 • 15-1-2 實作繼承 • 15-1-3 父類別的存取控制

15-1-1 類別繼承的基礎-圖例 • 「繼承」（Inheritance）是物件導向程式設計的一種進階觀念，繼承就是物件的再利用，當定義好一個類別後，其他類別可以繼承這個類別的成員資料和函數。 • 類別繼承也是在模擬真實世界，例如：學生和老師都是人，我們可以先定義Person類別來模擬人類，然後擴充Person類別建立Student類別來模擬學生，如右圖所示：

15-1-1 類別繼承的基礎-圖例說明 • Person類別是Student類別的「父類別」（Superclass）或「基礎類別」（Base Class），反之Student類別是Person類別的「子類別」（Subclass）或「延伸類別」（Derived Class）。 • UML類別圖的繼承是使用空心的箭頭線來標示兩個類別間的關係。

15-1-1 類別繼承的基礎-類別架構 • 繼承不只可以多個子類別繼承同一個父類別，還可以擁有很多層的繼承，如果將整個類別關聯性（Relationships）的樹狀結構都繪出來，稱為「類別架構」（Class Hierarchy），如下圖所示：

15-1-1 類別繼承的基礎-兄弟類別 • Truck、Car和Motorcycle類別是「兄弟類別」（Sibling Classes），因為擁有相同Vehicle父類別。當然我們可以繼續繼承類別Car，類別SportsCar和Jeep也是類別Vehicle的子類別，不過並不是直接繼承的子類別。 • 簡單的說，Car類別是SportsCar和Jeep的直接父類別（Direct Base Class），Vehicle類別則是SportsCar和Jeep的間接父類別（Indirect Base Class）。

15-1-2 實作繼承-父類別的宣告 • 父類別vehicle定義車輛的基本資料，如下所示： class vehicle { private: int engineNo; string owner; public: void setNumber(int no) { engineNo = no; } void setOwner(string owner) { this->owner = owner; } void printVehicle() { } };

15-1-2 實作繼承-子類別的宣告(語法) • 類別如果是繼承自存在的其他類別，其宣告語法，如下所示： class 子類別名稱 : 存取修飾子父類別名稱 { // 擴充的成員資料和函數 }; • 上述類別宣告使用「:」運算子後跟著父類別，表示擴充父類別的宣告，在父類別前方的存取修飾子可以定義繼承父類別的存取範圍，其值可以是private、protected和public，詳細說明請參閱下一節。

15-1-2 實作繼承-子類別的宣告(範例) • 因為車輛可以分成很多種，例如：卡車、機車和轎車等，以轎車car子類別為例的類別宣告，如下所示： class car : public vehicle { private: int doors; public: car(string owner, int no, int doors) { } void printCar() { } };

15-1-2 實作繼承-UML類別圖 • UML類別圖，如下圖所示：

15-1-2 實作繼承-繼承的成員種類 • 在C++語言宣告的子類別可以繼承父類別的所有成員資料和函數，但是並不包含： • 父類別的建構子和解構子。 • 父類別的朋友關係。 • 父類別的指定運算子=。

15-1-3 父類別的存取控制-說明 • 在C++語言的子類別使用哪一種存取控制來繼承父類別，將影響成員的存取範圍，如下所示：父類別名稱 { private: …… protected: …… public: …… }; class 子類別名稱 : 存取修飾子父類別名稱 { …… };

15-1-3 父類別的存取控制-父類別的存取控制 • 在子類別是使用存取修飾子private、protected和public來繼承父類別。父類別各種存取控制的說明，如下表所示：

15-1-3 父類別的存取控制-子類別的存取控制 • 子類別是否能夠存取父類別指定區塊的成員函數和資料，需視它屬於類別的public、protected和private成員而定，筆者整理如下表所示：

15-2 覆寫與隱藏父類別的成員 • 15-2-1 覆寫父類別的成員函數 • 15-2-2 隱藏父類別的成員資料

15-2-1 覆寫父類別的成員函數-說明 • 在父類別的成員函數如果不符合需求，子類別可以宣告同名、同參數列和傳回值的函數來取代父類別的成員函數，稱為「覆寫」（Override）。

15-2-1 覆寫父類別的成員函數-父類別 • 在父類別vehicle擁有一個靜態成員函數和成員函數需要覆寫，如下所示： class vehicle { private: ……… public: static void showBrand() { } ……… void printVehicle(int index) { } }; • 上述showBrand()和printVehicle()是需要覆寫的成員函數。

15-2-1 覆寫父類別的成員函數-子類別 • 子類別car使用public繼承父類別vehicle，如下所示： class car : public vehicle { private: ……… public: ……… static void showBrand() { } void printVehicle(int no) { } }; • 在程式碼呼叫car物件的成員函數時，就是呼叫子類別car的函數，而不是父類別的同名函數。

15-2-2 隱藏父類別的成員資料-說明 • 除了父類別的成員函數外，子類別也可以隱藏父類別成員資料的變數，只需變數名稱相同，就算變數型態不同也一樣可以隱藏。

15-2-2 隱藏父類別的成員資料-父類別 • 例如：父類別vehicle的成員變數owner是宣告在public區塊的string字串型態，如下所示： class vehicle { private: ……… public: string owner; ……… };

15-2-2 隱藏父類別的成員資料-子類別 • 在子類別car使用public存取修飾子繼承父類別vehicle，如下所示： class car : public vehicle { private: int owner; ……… public: ……… }; • car物件的成員變數owner是整數int，不再是string字串，原來父類別public區塊的owner成員變數被隱藏起來。

15-3 子類別的建構與解構子 • 15-3-1 子類別的建構與解構順序 • 15-3-2 子類別傳遞參數給父類別

15-3-1 子類別的建構與解構順序 • 當建立子類別的物件呼叫子類別的建構子時，它會先初始化父類別的成員，也就是呼叫父類別的建構子。如果子類別沒有建構子，在建立物件時，預設建構子（Default Constructor）就會呼叫父類別的預設建構子。 • 簡單的說，在呼叫子類別的建構子前，會先呼叫父類別的建構子，而解構子剛好與建構子是相反順序，也就是子類別的建構子是在父類別的建構子之前呼叫。

15-3-2 子類別傳遞參數給父類別 • 當父類別擁有建構子時，在子類別可以傳遞參數給父類別的建構子。例如：car類別是繼承自vehicle，此時car子類別的建構子，如下所示： car(int owner, int no, int doors) : vehicle(owner, no) { this->doors = doors; } • 上述建構子的「:」運算子後是傳遞給父類別vehicle建構子的參數，如果父類別不只一個，請使用「,」號分隔。 • 其中傳遞給父類別參數的值，就是傳入子類別建構子的參數值，以此例，owner和no也是子類別建構子的參數。

15-4 多重繼承-說明 • 「多重繼承」（Multiple Inheritance）是指一個類別能夠繼承多個父類別，如下圖所示：

15-4 多重繼承-語法 • 多重繼承。其宣告語法如下所示： class 子類別名稱 : 存取修飾子父類別名稱, 存取修飾子父類別名稱….. { …… // 額外的成員資料和函數 }; • 上述類別和繼承類別的語法相似，因為繼承類別不只一個，需要使用「,」逗號來分隔。

15-4 多重繼承-範例 • 例如：繼承自truck和driver類別的子類別driven_tuck，如下所示： class driven_truck : public truck, public driver { public: driven_truck(float pl, float fl, float pay, int pd): truck(pl, fl), driver( pay, pd) { } float costPerTom( float cost_of_gas ) { } void printData() { } };

15-5 軟體工程與繼承-圖例 • 軟體工程的繼承是類別關聯性（Relationships），它是指不同類別間的關係。例如：繼承是Is-a類別關聯性，稱為一般關係（Gereralization）。成品和零件（Whole-Part）的類別關聯性，即Part-of和Has-a關係，如下圖所示：

15-5 軟體工程與繼承-圖例說明 • Part-of和Has-a關係的說明，如下所示： • Part-of關係：指此類別是其他類別的零件，以上圖為例Wheel車輪和Door車門是Car車類別的零件。 • Has-a關係：相反於Part-of關係，Car類別Has-a擁有Wheel和Door類別。 • 在UML的上述關係稱為「聚合關係」（Aggregation），或是另一種更強調Whole-part關係稱為「組成關係」（Composition）。

15-6 類別的型態轉換與檢查-說明 • 在ANSI-C++定義reinterpret_cast、static_cast、dynamic_cast和const_cast四種新的型態轉換運算子，可以使用在類別型態的轉換，其基本語法如下所示： static_cast<類別*>(運算式); const_cast<類別*>(運算式); dynamic_cast<類別*>(運算式); reinterpret_cast<類別*>(運算式); • ANSI-C++還定義全新typeid運算子，可以檢查指定運算式或類別的型態，其語法如下所示： typeid(運算式)

15-6 類別的型態轉換與檢查-static_cast運算子 • C++的static_cast運算子可以將類別型態指標轉換成其他類別型態的指標，只需是編譯程式能夠自動轉型的型態迫換，都可以使用static_cast運算子來明確表示所需的型態轉換，如下所示： class A {}; class B: public A {}; A *a = new A; B *b = static_cast<B*>(a); • 上述程式碼使用static_cast<B*>運算子，將父類別A物件指標a，型態轉換成子類別B的物件指標b。

15-6 類別的型態轉換與檢查-const_cast運算子 • C++的const_cast運算子可以取消常數物件指標成為一般物件指標，如下所示： class C {}; const C *c1 = new C; C *c2 = const_cast<C*>(c1); • 上述程式碼使用const_cast<C*>運算子，將常數物件指標c1型態轉換成非常數物件指標c2。

15-6 類別的型態轉換與檢查-dynamic_cast運算子 • C++的dynamic_cast運算子主要是在類別架構中，安全的進行型態轉換，static_cast和dynamic_cast運算子的差異，在於dynamic_cast會進行檢查，這是在執行期檢查型態轉換的指標是否指向合法的需求型態，如果不是，就傳回NULL指標，如下所示： class D { virtual void dummy() {}; }; class E: public D {}; D *d1 = new E; D *d2 = new D; E *e1 = dynamic_cast<E*>(d1); E *e2 = dynamic_cast<E*>(d2); // 傳回NULL指標

15-6 類別的型態轉換與檢查-reinterpret_cast運算子 • C++的reinterpret_cast運算子可以在完全無關的類別型態間進行轉換，其操作是二進位複製，從一個指標複製至另一個指標，如下所示： class F {}; class G {}; F *f = new F; G *g = reinterpret_cast<G*>(f); • 上述程式碼使用reinterpret_cast<G*>運算子，將類別F物件指標f，型態轉換成類別G的物件指標g。

15-6 類別的型態轉換與檢查-typeid運算子 • C++的typeid運算子可以在執行期傳回運算式的型態資訊，我們可以使用關係運算子「==」和「!=」來比較其傳回值，如下所示： class H {}; H *h1; H h2; if ( typeid(h1) != typeid(h2) ) { cout << "h1與h2型態不同\n"; } • 上述程式碼使用typeid運算子檢查物件變數h2和物件指標變數h1是否是相同型態。

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