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Derived Class

Derived Class. 前言 衍生類別的定義 單一繼承 public, protected, 和 privated 基底類別 virtual 成員函式 RTTI (Run-time Type Information). 前言. C++ 提供類別繼承的機制來擴充或更改現有類別的功能。我們可以利用此機制來達到以下兩個目的： 程式碼的再利用（ code reuse ） 物件導向的設計（ object-oriented design ）. class B. class D. 類別繼承的圖示. 衍生類別的定義.

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  1. Derived Class • 前言 • 衍生類別的定義 • 單一繼承 • public, protected, 和 privated 基底類別 • virtual 成員函式 • RTTI (Run-time Type Information)

  2. 前言 • C++ 提供類別繼承的機制來擴充或更改現有類別的功能。我們可以利用此機制來達到以下兩個目的： • 程式碼的再利用（code reuse） • 物件導向的設計（object-oriented design）

  3. class B class D 類別繼承的圖示 衍生類別的定義 • 假定 B 是一個類別。我們可以用底下的格式來定義一個 B 的衍生類別 D： • class D : public B • { • // members of D • }; • 我們稱：D 繼承 B、B 是 D 的 base class（基底類別）或 superclass（父類別）、以及 D 是 B 的 derived class（衍生類別）或 subclass（子類別）。

  4. 類別繼承通常是用來表達 kind-of 關係（或稱 is-a 關係）：衍生類別是基底類別的一種。譬如： Manager（經理）也是 Employee（員工），所以我們先規劃好 Employee 類別，然後把 Manager 定義成 Employee 的一個衍生類別： • class Employee { • // other members • private: • string first_name, family_name; • char middle_initial; • Date hiring_date; • short department; • }; • class Manager : public Employee { • // other members • private: • set<Employee *> group; • short level; • };

  5. 衍生類別除了本身的資料成員以外，也具有基底類別的資料成員。譬如：衍生類別除了本身的資料成員以外，也具有基底類別的資料成員。譬如： Employee 的資料成員： string first_name, family_name; char middle_initial; Date hiring_date; short department; Manager 的資料成員： string first_name, family_name; char middle_initial; Date hiring_date; short department; set<Employee *> group; short level;

  6. 由於衍生類別是基底類別的子類別，因此衍生類別的物件可視為基底類別的物件；基底類別型態的指標也可用於衍生類別的物件，而不須要經過型態轉換。但反過來就不成立了。譬如：由於衍生類別是基底類別的子類別，因此衍生類別的物件可視為基底類別的物件；基底類別型態的指標也可用於衍生類別的物件，而不須要經過型態轉換。但反過來就不成立了。譬如： • void foo (Manager mm, Employee ee) • { • Employee *pe = &mm; // ok • Manager *pm = &ee; // error • pe->level = 2; // error: Employee doesn‘t have • // data member:level • pm = static_cast<Manager *> (pe); // ok: explicit type casting • pm->level = 2; // ok: since pe points to a • // Manager object • }

  7. 衍生類別及其朋友（friends）可以直接使用基底類別的 public 或 protected 成員，但是不能使用基底類別的 private 成員。譬如： • class D : public B { • friend void k(D); • void a() { f(); … } // ok • void b() { g(); … } // ok • void c() { _x = 0; } // ok • void d() { h(); … } // error • void e() { _y = 0; } // error • }; • void k (D obj) • { • obj.g(); // ok • obj.f(); // ok • obj._x = 0; // ok • obj._y = 0; // error • } • class B { • public: • void f(); • protected: • void g(); • int _x; • private: • void h(); • int _y; • };

  8. 本身與其朋友 衍生類別與其朋友 外界 public protected private x x x 存取控制 我們用下表來總結類別成員的存取控制：

  9. 如果基底類別的成員函式不符合所需的話，我們可以在衍生類別中重新改寫（override）。譬如：如果基底類別的成員函式不符合所需的話，我們可以在衍生類別中重新改寫（override）。譬如： • class Employee { • public: • void print(); • // other members • }; • void Employee::print() • { • cout << first_name << ‘ ’ • << middle_initial << ‘ ’ • << family_name; • } • class Manager : public Employee { • public: • void print(); • // other members • }; • void Manager ::print() • { • Employee::print(); • cout << ‘ ’ << level; • } 這項改寫的機制讓 code reuse 可以很容易地達成。

  10. 衍生類別的建構函式必須呼叫基底類別的建構函式（如果它存在的話），而且前者的參數必須包含後者的參數。譬如：衍生類別的建構函式必須呼叫基底類別的建構函式（如果它存在的話），而且前者的參數必須包含後者的參數。譬如： • class Employee { • public: • Employee (const string & n, int d) • : family_name(n), department(d) { } • // other members • }; • class Manager : public Employee { • public: • Manager (const string & n, int d, int lvl) • : Employee(n, d), level(lvl) { } • // other members • };

  11. 衍生類別的物件建構順序如下： • 1. 執行基底類別的建構函式。 • 2. 執行衍生類別資料成員的建構函式。 • 3. 執行衍生類別的建構函式。 • 衍生類別的物件解構順序則恰恰相反，即： • 1. 執行衍生類別的解構函式。 • 2. 執行衍生類別資料成員的解構函式。 • 3. 執行基底類別的解構函式。 資料成員和基底類別是按照宣告的順序來建構，解構則按照相反的順序。

  12. 拷貝衍生類別物件至基底類別物件時，只拷貝基底類別的資料成員。拷貝衍生類別物件至基底類別物件時，只拷貝基底類別的資料成員。 • class Employee { • Employee (const Employee &); • Employee& operator=(const Employee &); • // … • }; • void f (const Manager &m) • { • Employee e = m; // construct e from Employee part of m • e = m; // assign Employee part of m to e • }

  13. class CPoint2D { • public: • CPoint2D (int x = 0, int y = 0) : _x(x), _y(y) { } • int x () { return _x; } • int y () { return _y; } • void setX (int x) { _x = x; } • void setY (int y) { _y = y; } • void set (int x, int y) { _x = x; _y = y; } • bool isZero () { return _x == 0 && _y == 0; } • double distance () { return sqrt(_x * _x + _y * _y); } • protected: • int _x, _y; • }; 我們利用 CPoint2D 類別來定義 CPoint3D 類別。首先我們把 CPoint2D 的 private 成員改成 protected 成員，讓 CPoint3D 可以使用它們。 範 例

  14. class CPoint3D : public CPoint2D { • public: • CPoint3D (int x = 0, int y = 0, int _z = 0) • : CPoint2D(x, y), _z(z) { } • int z() { return _z; } • void setZ (int z) { _z = x; } • void set (int x, int y, int z) { set(x, y); setZ(z); } • bool isZero () { return _x == 0 && _y == 0 && _z == 0; } • double distance () { return sqrt(_x * _x + _y * _y + _z * _z); } • private: • int _z; • }; CPoint3D 改寫（override） CPoint2D 的 isZero() 和 distance() 函式。

  15. 我們可以為 CPoint3D 類別定義輸出運算子 << 如下： • #include <iostream> • using namespace std; • #include “CPoint3D.h” • ostream& operator<< (ostream &os, CPoint3D p) • { • os << ‘(‘ << p.x() << “, “ << p.y() << “, “ << p.z() << ‘)’; • return os; • }

  16. 測試程式 • #include “CPoint3D.h” • int main () • { • CPoint3D p(1, 2, 3); • cout << p << endl; • CPoint2D q(5, 6); • q = p; • cout << q << endl; • p = q; // error • } 輸出結果 (1, 2, 3) (1, 2)

  17. 我們利用標準的 string 類別來定義 big5string 類別。 big5string 類別提供了一些專門用來處理中文字串的成員函式。註：中文 Big5 碼中的中文字元是雙位元組，其中高位元組的範圍是 0x81  0xFE、低位元組的範圍是 0x40  0x7E 與 0xA1  0xFE。 範 例 • typedef unsigned short big5char; • class big5string : public string { • public: • bool is_big5char (int idx); • big5char next_char(int idx); • int big5_length(); • private: • bool in (char c, int min, int max) { return min <= c && c <= max; } • bool is_big5hiByte (char c) { return in(c, 0x81, 0xFE); } • bool is_big5loByte (char c) • { return in(c, 0x40, 0x7E) || in(c, 0xA1, 0xFE); } • };

  18. bool big5string::is_big5char (int idx) • { • assert(idx >= 0 && idx < length() ); • char *cp = c_str(); • if (cp[idx] < 128 || idx == length() -1) • return false; • if (is_big5hiByte(cp[idx]) && is_big5loByte(cp[idx+1]) • return true; • else • return false; • }

  19. big5char big5string::next_char (int idx) • { • char *cp = c_str(); • return is_big5char(idx)? cp[idx]*256+cp[idx] : cp[idx]; • } • int big5string::big5_length () • { • int len = 0, k = 0; • while (k < length()) { • k = is_big5char(k) ? k+2 : k+1; • len++; • } • return len; • }

  20. big5string 物件除了可使用 big5string 的功能以外，也可使用 string 所提供的各項功能。 測試程式 • #include <iostream> • #include <string> • #include “big5string.h” • int main () • { • string s1(“Hi, “); • big5string s2; • s2 = s1 + “好久不見”; • cout << s2 << endl; • cout << “# of characters is: “ << s2.big5_length() << endl; • return 0; • } 輸出結果 Hi, 好久不見 # of characters is: 8

  21. Employee Manager Director 單一繼承 • 類別可隨需要而建立層層的繼承關係。譬如： • class Employee { … }; • class Manager : public Employee { … }; • class Director : public Manager { … }; • Director 是 Manager 的衍生類別、 Manager • 又是 Employee 的衍生類別。因此 Director 是 Manager 的子類別，也是 Employee 的子類別。之前所說 Manager 和Employee 間的關係同樣適用於 Director 和 Employee 之間。譬如： Director 包含 Employee 所有的資料成員、也可以直接使用 Employee 的 public 和 protected 成員、等等。

  22. B D1 D2 Dn 衍生類別也可以作為其他類別的基底類別。如此一來，類別的繼承就形成如右圖所示的線性結構。D1, D2, …, Dn 都是基底類別 B 的衍生類別（或子類別），其中 D1 稱為 B 的「直接衍生類別」、 D2, …, Dn 稱為 B 的「間接衍生類別」。此外，D1, D2, …, Dn 型態的指標都可以轉換成 B 型態的指標。

  23. root class 有些時候，單一繼承的類別會形成如圖所示的階層狀（樹狀）的結構。其中最上層的類別稱為「根類別（root class）」。其他的類別都是根類別的子類別。

  24. public, protected, 和 privated 基底類別 • 基底類別可以指定成 public、protected、或 private。譬如： • class X : public B { … }; • class Y : protected B { … }; • class Z : privated B { … }; • 如果省略這些指定，則 class 的基底類別預設為 private、而 struct 的基底類別預設為 public 。譬如： • class X : B { … }; // B is a private base • struct X : B { … }; // B is a public base

  25. 這三種的差別在於以下的限制對間接衍生類別有所不同：這三種的差別在於以下的限制對間接衍生類別有所不同： • 基底類別 public 和 protected 成員的存取； • 把指標和參照從衍生類別的型態轉換成基底類別的型態。 • 假定 D 是 B 的一個直接衍生類別。 • B 是一個 private 基底類別 • B 的 protected 和 public 成員在 D 中變成 private 成員。這使得只有 D 的成員和朋友可以使用它們，而其他函式（包含 D 的衍生類別之成員和朋友）則不能使用它們。 • 此外，只有 D 的成員和朋友可以把 D* 轉換成 B*。

  26. class B { • public: • void foo (); • protected: • void bar (); • }; • class D1 : private B { • void f () { bar(); … } // ok • }; • class D2 : public D1 { • void g () { bar(); … } // error • void h () { foo(); … } // error • }; • void func () • { • B b; • D1 d1; • D2 d2; • b.foo(); // ok • b.bar(); // error • d1.foo(); // error • d1.bar(); // error • d2.foo(); // error • d2.bar(); // error • B *bp = &D1; // error • }

  27. B 是一個 protected 基底類別 • B 的 protected 和 public 成員在 D 中變成 protected 成員，使得只有 D 及其衍生類別的成員和朋友可以使用它們，而其他函式則不能使用它們。 • 此外，只有 D 及其衍生類別的成員和朋友可以把 D* 轉換成 B*。 • B 是一個 public 基底類別 • B 的 protected 和 public 成員在 D 中仍維持相同的存取模式。此外，任何函式都可以把 D* 轉換成 B*。

  28. class B { • public: • void foo (); • protected: • void bar (); • }; • class D1 : protected B { • void f () { bar(); … } // ok • }; • class D2 : public B { • void g () { bar(); … } // ok • void h () { foo(); … } // ok • }; • void func () • { • B b; • D1 d1; • D2 d2; • b.foo(); // ok • b.bar(); // error • d1.foo(); // error • d1.bar(); // error • d2.foo(); // error • d2.bar(); // error • B *bp = &D1; // error • }

  29. class B { • public: • void foo (); • protected: • void bar (); • }; • class D1 : public B { • void f () { bar(); … } // ok • }; • class D2 : public B { • void g () { bar(); … } // ok • void h () { foo(); … } // ok • }; • void func () • { • B b; • D1 d1; • D2 d2; • b.foo(); // ok • b.bar(); // error • d1.foo(); // ok • d1.bar(); // error • d2.foo(); // ok • d2.bar(); // error • B *bp = &D1; // ok • }

  30. 使用 B 的 public 和 protected 成員 D 的成員 D 及其衍生類別 其他函式 與朋友 的成員與朋友 private B protected B public B public but not protected x public but not protected public but not protected

  31. 把 D* 轉換成 B* D 的成員 D 及其衍生類別 其他函式 與朋友 的成員與朋友 private B protected B public B x x x

  32. 從以上的比較我們得知：對基底類別成員的存取，以 public 的限制最少、protected 次之、而 private 最多。此外，只有 public 的繼承方式允許在非成員的函式中，把衍生類別型態的指標轉換成基底類別型態的指標。由於這些原因，public 的繼承方式是最常用來定義基底類別的子類型（subtype）。如果我們想把基底類別當成 implementation 內部的一個類別，不希望外界直接地使用它，最好使用protected 和 private 的繼承方式，其中又以 private 的隔離效果比 protected 來得大。

  33. Virtual Functions • class Employee { • public: • void print (); • // … • }; • class Manager : public Employee { • public: • void print (); • // … • }; • class Director : Manager { • public: • void print (); • // … • }; 假定我們有如右邊所示的類別繼承關係。由於資料成員多寡不一，每個類別因此各自定義了一個 print() 成員函式，用來列印相關的員工資料。

  34. 假定你想寫一個函式能夠列印任何一類員工的資料。由於 Manager 和 Director 都屬於 Employee 類別，因此你可能認為以下的函式就可以達到這個目的： • void print_emp (Employee *e) • { • e->print(); • } 其實不然。原因是：e 是 Employee 型態的指標，所以不論傳進來的引數型態是 Employee、 Manager、或 Director，e->print() 永遠是呼叫 Employee 的成員函式 print()。

  35. 你可以在 Employee 類別中，加入一個儲存員工類型的資料成員來解決前述的問題。譬如： • class Employee { • public: • enum emp_type {EMPLOYEE, MANAGER, DIRECTOR}; • void print (); • emp_type type() { return _type; } • // … • private: • emp_type _type; • }; • 並在三個類別的建構函式中，加入資料成員 type 的設定。經過這些加工之後，你就可以寫出下一頁的列印函式。

  36. void print_emp (Employee *e) • { • switch (e->type()) { • case Employee::EMPLOYEE: • e->print(); • break; • case Employee::MANAGER: • static_cast<Manager *>(e)->print(); // Manager’s print() • break; • case Employee::DIRECTOR: • static_cast<Director *>(e)->print(); // Director’s print() • break; • } • }

  37. 上述的解決方案有下面兩個缺點： 就如同 print_emp() 函式所示，程式設計師必須判斷物件的類別，然後採取適當的型態轉換。這種作法不僅增加程式撰寫的負擔，也容易造成錯誤。 print_emp() 函式只能列印 Employee、Manager、和 Director 三種類別的物件。如果其他人用繼承的方式定義另一種員工的類別，如 Secretary，則已經寫死的 print_emp() 函式將無法用來列印這個新類別的物件。 • class Secretary : public Employee { • public: • void print (); • // … • };

  38. 宣告 virtual 函式 為了解決上述的問題，C++ 提供一種稱為 virtual 函式的特別成員函式。你只要在成員函式的宣告之前加上關鍵字 virtual，就可以把它變成 virtual 函式，即 virtualreturn_type func_name (parameter list) 當類別含有 virtual 成員函式時，C++ 編譯器會為它產生一個 virtual function table，其中包含此類別所有 virtual 成員函式的位址。此外，屬於此類別的物件，除了儲存資料成員外，會另外儲存一個指向此 virtual function table的指標。

  39. a _x _x _y _y X::vf1() _ _vptr_ _X _ _vptr_ _X X::vf1() virtual table for class X b • 舉例來說，假定類別 X 的宣告如下： • class X { • public: • virtual void vf1 (); • virtual void vf2 (); • void f (); • private: • int _x, _y; • }; • X a, b; • 則 X 類別的物件結構將如右圖所示。

  40. class Base { • virtual void foo (int); • // other members • }; • class Derived : public Base • { • virtual void foo (int); • // other members • }; override 衍生類別的 virtual 函式會覆蓋（override）基底類別的同名同參數列的 virtual 函式。

  41. class Employee { • public: • virtual void print (); • // … • }; • class Manager : public Employee { • public: • virtual void print (); • // … • }; • class Director : Manager { • public: • virtual void print (); • // … • }; 若我們把前述 Employee 類別和它衍生類別中的 print() 成員函式都改成 virtual（如左圖所示），則函式 print_emp() 就變得簡單多了，而且也克服前述的一些缺點。

  42. 利用 virtual 函式的 print_emp() 定義如下： • void print_emp (Employee *e) • { • e->print(); • } • 則 e->print() 會呼叫傳進來物件所定義的 print() 成員函式。譬如：若傳進來 Emploee 型態的物件時，e->print() 等同於e->Emploee::print()；若是 Manager 型態的物件時，e->print() 等同於 e-> Manager ::print()。

  43. 型態相同的物件（都是 Employee）卻具有不同的行為（不同的 print() 功能），稱之為 polymorphism（多型）。具有 virtual 成員函式的類別稱為多型型態（polymorphic type）。 • 在 C++ 中，若要使用多型，你必須： • 把一些成員函式定義成 virtual。 • 透過物件指標或參照來呼叫這些 virtual 成員函式。 • 若透過物件直接呼叫 virtual 成員函式，因為編譯時會固定呼叫的對像，所以會達不到多型的效果。譬如： • Employee e; • e.print(); // 一定呼叫 Employee::print()

  44. Pure Virtual Functions • 如果基底類別的 virtual 成員函式只是用來規定衍生類別應該具備的使用介面（interface），而且基底類別也不用來定義物件的話，我們可以用以下的格式把 virtual 成員函式設定無定義的函式： • virtual return_type fucn_name (parameter_list) = 0 • 這樣的函式稱為 pure virtual function。

  45. Abstract Classes • 本身擁有或繼承但不改變 pure virtual functions 的類別稱為抽象類別（abstract class）。由於 pure virtual functions 是沒有定義的函式，因此抽象類別不可用來定義物件。譬如底下的 Abstract_Base 和Abstract_Derived 是抽象類別，而 Concrete_Derived 就不再是了： • class Abstract_Base { • public: • virtual void foo () = 0; • }; • class Abstract_Derived : public Abstract_Base { /* … */ } • class Concrete_Derived : public Abstract_Base { • public: • virtual void foo () {…}; // no longer pure • }

  46. 抽象類別通常製訂介面（interface）用來規範衍生類別的基本功能。譬如：抽象類別通常製訂介面（interface）用來規範衍生類別的基本功能。譬如： • class Shape { • public: • // 所有 Shape 類別物件都必須提供下列的功能 • virtual void rotate (int) = 0; • virtual void draw () = 0; • virtual void is_closed (int) = 0; • }; • class Circle : public Shape { • public: • virtual void rotate (int) { /* function definition */ } • virtual void draw () { /* function definition */ } • virtual void is_closed (int) { /* function definition */ } • // other members • }

  47. RTTI (Run-time Type Information) • C++ 的 RTTI 的機制提供下面兩個功能： • dynamic_cast • typeid

  48. p 如果指標 p所指的物件型態是 T或其基底類別是 T。 dynamic_cast<T *>(p) = 所有其他情形 0 dynamic_cast 假定 Base 是 Derived 的基底類別，Other 是與它們無任何繼續關係的類別 • void f (Derived *p) • { • Base *q0 = p; // ok • Base *q1 = dynamic_cast<Base *>( p); // ok • Other *q2 = p; // compile error • Other *q3 = dynamic_cast<Other *>( p); // ok: q3 is 0 • }

  49. typeid • typeid 運算子可用來取得物件的型態資訊： • typeid(obj); // 傳回物件 obj的型態資訊 • typeid(*objptr); // 傳回物件指標 objptr 所指物件的型態資訊 • 我們可以從型態資訊中取得型態的名稱，如： • typeid(obj).name(); //物件 obj所屬類別的名稱 • 也可以比較兩個物件的型態是否相同，如 • typeid(obj1) == typeid(obj2) // true 若兩物件的類別相同 • typeid(obj1) != typeid(obj2) // true 若兩物件的類別不相同

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