【C++修炼之路】继承

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文章目录

  • 一、概念及定义
  • 二、基类和派生类对象赋值转换
  • 三、继承中的作用域
  • 四、派生类的默认成员函数
  • 五、继承与友元
  • 六、继承与静态成员
  • 七、菱形继承与菱形虚拟继承
    • 1、概念
    • 2、虚继承
  • 八、总结与反思

如果无聊的话，就来逛逛 我的博客栈 吧! 🌹

一、概念及定义

概念：

继承(inheritance)机制是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展，增加功能，这样产生新的类，称派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构，体现了由简单到复杂的认知过程。以前我们接触的复用都是函数复用，继承是类设计层次的复用。

定义：

image-20230723152807208

派生类，基类也可以称为子类和父类。子类通过不同的继承方式，继承父类。子类在继承后，通过特定的规则，可以使用父类的成员。

先前在说访问限定符的时候，说过 protected 和 private 在作为访问限定符时，它们的效果是一样的。

image-20230723153125991

但是作为继承方式，则是不一样的：

image-20230723154144332

当不同访问限定符修饰的成员在经过不同的继承方式后，子类成员会产生九种访问方式 ：

image-20230723154707455

当父类被继承后，根据继承方式和成员访问类型，子类可以根据表中的结果对父类的成员做某种程度上的操作。

这时，保护成员和私有成员的区别就体现出来了：

  1. 无论私有成员如何继承，结果都是不可见。这里的不可见就是指 继承的私有成员无论是在子类中还是在类外都不能被使用 ；而保护成员被继承则有多种情况。
  2. 当两个类被继承时，派生类无法访问私有继承过的类的成员。

例如：

image-20230723155755802

Student 和 Teacher 公有继承父类 Person，由于其成员变量是私有成员，所以继承的私有成员不可见，无论是在子类还是在类外都不能访问。

class Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
	//protected:
public:
	string _name = "peter"; // 姓名
	int _age = 18;  // 年龄
};

class Student : public Person
{
public:
	void func()
	{
		// 父类私有成员，子类用不了(无论什么方式继承)
		cout << "name:" << _name << endl;
		cout << "age:" << _age << endl;
	}
protected:
	int _stuid; // 学号
};
class Teacher : public Person
{
protected:
	int _jobid; // 工号
};
int main()
{
	Student s; // 继承了父类的print函数
	Teacher t;

	cout << s._name << endl;;
	s.Print();
	t.Print();

	return 0;
}

当父类成员为公有时，公有继承后在子类和类外都能访问：

image-20230723160143435

子类在继承后，有两个部分的成员：

  1. 继承父类的成员
  2. 子类的成员

image-20230723163825924

父子类的成员函数都在公共代码区上（成员独一份，但是成员函数可以共享，调用同一个）。

总结：

  1. 基类private成员在派生类中无论以什么方式继承都是不可见的。
  2. 基类private成员在派生类中是不能被访问，如果基类成员不想在类外直接被访问，但需要在
    派生类中能访问，就定义为protected。可以看出保护成员限定符是因继承才出现的。
  3. 基类的成员在派生类的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符，继承方式)，public > protected > private。
  4. class默认的继承方式是private，使用struct时默认的继承方式是public，不过最好显示的写出继承方式。
  5. 在实际运用中一般使用都是public继承（常用情况为表中红框部分公有、保护成员加公有继承），几乎很少使用protetced/private继承，也不提倡使用protetced/private继承，因为protetced/private继承下来的成员都只能在派生类的类里面使用，实际中扩展维护性不强。

二、基类和派生类对象赋值转换

仅在公有继承有效：

派生类对象 可以赋值给 基类的对象 / 基类的指针 / 基类的引用。

对象：

int main()
{
	Person p;
	Student s;

	p = s; // right

	s = p; // error 
	s = (Student)p;  // error 无法强转，强转只有几个相关类型可以强转
}

image-20230723172005356

不同类型赋值会进行类型转换，转换时会产生临时变量。p = s 是把子类中的父类成员进行切割，将成员拷贝给父类；这里没有发生转换，这个过程称为 赋值兼容转换 ，也叫 切片、切割 ，这其中并不会产生临时变量。

可以认为子类是特殊的父类对象，所以进行赋值也没有大碍。父类对象不能赋值给子类对象，因为子类对象有的成员，父类可能没有。

引用：

int main()
{
	int i = 0;
	double& d = i; // err

	Person p1;
	Student s;

	Person& p2 = s; 
}

不同类型赋值会产生临时变量，临时变量具有常性，& 为权限放大，double& d = i 会报错；但是 Person& p2 = s 并没有报错，说明这里并没有产生临时变量。

p2 为子类切片出来父类部分的别名，当修改 p2 的成员，子类中父类部分成员也会修改。

指针：

int main()
{
	int i = 0;
	const double& d = i;

	Person p1;
	Student s;

	Person& p2 = s; 

	Person* ptr = &s;
	ptr->_name = "张三";
}

修改 ptr 指向的内容，s 和 p2 都会跟着修改。

ptr 指向子类中父类部分的成员。

总结：

  1. 子类赋值给父类，归纳为向上转换(上父下子)，向上转换都是可以的，子类可以赋值给父类的对象/引用/指针(天然支持)
  2. 父类赋值给子类，归纳为向下转换，基类对象不能赋值给派生类对象，但是基类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或者引用，因为父类的指针和引用有可能指向子类对象，所以转回去也可以，这衍生出其它问题，至于如何解决，之后讲解。

三、继承中的作用域

  1. 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。
  2. 子类和父类中有同名成员，子类成员将屏蔽父类对同名成员的直接访问，这种情况叫 隐藏，也叫 重定义。（在子类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 显示访问）
  3. 需要注意的是如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。
  4. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。
// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:
	string _name = "小李子"; // 姓名
	int _num = 111; // 身份证号
};

// 隐藏/重定义：当子类和父类有同名成员的时候，子类的成员隐藏了父类的成员，需要用类作用限定符才能访问到父类
// 尽量不要定义同名成员
class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << " 姓名:" << _name << endl;
		cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl; // 域作用限定符，访问父类的  _num
		cout << " 学号:" << _num << endl; // 就近原则，先局部域，再访问子类，再找父类，再找全局
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

int main()
{
	Student s;
	s.Print(); // 父类和子类可以定义同名成员，子类默认到子类域中查找
}

补充：域的本质是在编译的时候指导编译器去查找的规则。这里的是编译时查找，编译时要检查语法,找不到这个函数要语法报错

两个fun构成什么关系？
a、隐藏/重定义 b、重载 c、重写/覆盖 d、编译报错

class Person
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "Person::func()" << endl;
	}

protected:
	string _name = "小李子"; // 姓名
	int _num = 111; 	   // 身份证号
};

class Student : public Person
{
public:
	void fun(int i)
	{
		cout << "Student::func()" << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};

int main()
{
	Student s;
    s.fun(); // err 默认到子类找，语法检查参数不匹配，报错
	s.Person::fun(); // 指定到父类找
	s.fun(1); // 默认找子类

	return 0;
}

虽然子类和父类中两个 fun 参数不同，有点像重载，但是其实是隐藏。

res：a

父子类域中，成员函数名相同就构成隐藏。

构成重载的前提：在同一个作用域中。

四、派生类的默认成员函数

image-20230723205145088

6个默认成员函数，**“默认”**的意思就是指我们不写，编译器会变我们自动生成一个，那么在派生类中，这几个成员函数是如何生成的呢？

  1. 派生类的构造函数必须调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员。如果基类没有默认的构造函数，则必须在派生类构造函数的初始化列表阶段显示调用。
  2. 派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成基类的拷贝初始化。
  3. 派生类的operator=必须要调用基类的operator=完成基类的复制。
  4. 派生类的析构函数会在被调用完成后自动调用基类的析构函数清理基类成员。因为这样才能保证派生类对象先清理派生类成员再清理基类成员的顺序。
  5. 派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。
  6. 派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。
  7. 因为后续一些场景析构函数需要构成重写，重写的条件之一是函数名相同(这个我们后面会讲解)。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理，处理成destrutor()，所以父类析构函数不加virtual的情况下，子类析构函数和父类析构函数构成隐藏关系。

image-20230723215645960

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "peter")
	// Person(const char* name)
		: _name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}

	Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}

	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;

		return *this;
	}

	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
		delete _pstr;
	}
protected:
	string _name; // 姓名

	string* _pstr = new string("111111111");
};

class Student : public Person
{
public:
	//Student(const char* name = "张三", int id = 0)
	//	:_id(0)
	//	,_name(name)// 初始化列表不能初始化父类成员，需要调用父类构造函数初始化
	//{}
	
	// 先父后子
	// 派生类会自动调用派生类的默认构造函数，初始化父类的成员
	// 不写默认构造会报错，把父类成员当做对象成员初始化
	// 初始化列表会先走父类的构造函数
	// 初始化列表是按成员声明的顺序走的，继承的成员在子类的成员前面
	// 建议把构造写在前面，与定义顺序一致

	// 把父类看成了一个整体，只能整体调用构造函数初始化
	Student(const char* name = "张三", int id = 0)
		:Person(name) // 若没有默认构造函数，则要传参
		,_id(0)
	{}


	// 默认调用父类的拷贝构造，会自动调用默认构造（拷贝构造也是构造），所以拷贝构造要自己调用
	// 不能自己对父类的成员初始化，都交给父类自己做
	// 父类的拷贝构造要父类对象，但是可以直接传子类，因为子类的对象可以传给父类的指针和引用（切片）
	// 引用s也是子类对象的别名，在拷贝构造引用还是子类对象的别名，这里会自动切片，把子类引用的父类成员切割出来
	Student(const Student& s)
		:Person(s)
		,_id(s._id)
	{}

	Student& operator=(const Student& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			// operator=(s); // 栈溢出，默认调用子类的赋值（隐藏）
			Person::operator=(s); // 
			_id = s._id;
		}

		return *this;
	}

	~Student()
	{
		// 由于后面多态的原因，析构函数的函数名被
		// 特殊处理了，统一处理成destructor，基类和派生类的析构构成隐藏
		// 所以要指定

		// 但是显示调用父类析构，无法保证先子后父
		// 要保证析构顺序，子类的父类部分先被构造，所以父类要后被析构，要先析构子类成员
		// 所以子类析构函数完成就自动调用父类析构，这样就保证了先子后父
		//Person::~Person();

		// 父类不可能访问子类的成员，但是子类可能访问父类的成员
		// 为防止父类析构后，子类访问错误
		// 所以要先子后父
        
         // 虽然可以把父类析构显示写在子类析构的最后一句，保证子类走完再析构
		// 但是反正析构顺序确定，就没必要显示调用了，编译器直接处理好
		cout << *_pstr << endl;
		cout << "~Student()" << endl;
		delete _ptr;
	}
protected:
	int _id;

	int* _ptr = new int;
};

int main()
{
	Person p;
	Student s1;
	Student s2(s1);

	Student s3("李四", 1);
	s1 = s3;

	//Person p = s1;

	return 0;
}

五、继承与友元

友元关系不能继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员。

如果需要访问子类私有和保护成员，则声明子类的友元。

class Student;
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl; 
	cout << s._stuNum << endl; // 函数也为子类的友元，那么也能访问子类的私有保护成员
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
}

六、继承与静态成员

子类继承之后，子类中使用的静态成员和父类中的是同一份。可以认为继承的是使用权。

// 静态成员属于父类和派生类，共同使用定义在父类中的静态成员
// 在派生类中不会单独拷贝一份，继承的使用权
class Person
{
public:
	Person() { ++_count; } // 统计父类和子类的对象创建了多少个，只要在这里 ++count 即可，创建对象子类会先调用父类的构造
//protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数。
};

int Person::_count = 0;

class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

class Graduate : public Student
{
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Student s2;

	// cout << Person::_count << endl;

	cout << &p._name << endl;
	cout << &s._name << endl;

	cout << &p._count<< endl;
	cout << &s._count << endl;

	cout << &Person::_count << endl;
	cout << &Student::_count << endl;

	return 0;
}

image-20230724091332788

七、菱形继承与菱形虚拟继承

1、概念

单继承：一个子类只有一个直接父类时称这个继承关系为单继承

image-20230724092451386

多继承：一个子类有两个或以上直接父类时称这个继承关系为多继承

image-20230724092515732

注：多继承谁先继承，谁的对象模型就在上面。

菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况。子类进行多继承时，父类之上有一个公共的父类，就会造成菱形继承。

image-20230724092550800

image-20230724095423569

这也是菱形继承，Student 中继承了 Peson 中的成员，子类 assistant 继承的直接父类中，两个父类之上有一个公共的类(Person)，子类的对象中有两份来自父类的同名成员。

菱形继承后，在子类中，继承了直接父类的成员，若多个父类中里面有相同的成员，访问时就会有 二义性和数据冗余 。

对象模型：

image-20230724100603981

image-20230724100517338

2、虚继承

虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在Student和Teacher的继承Person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。

image-20230724101026329

class A
{
public:
	int _a;
};

class B : public A
{
public:
	int _b;
};

class C : public A
{
public:
	int _c;
};

class D : public B, public C
{
public:
	int _d;
};

int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;
	// d._a = 0;

	D d1;

	return 0;
}

菱形继承的对象模型：

image-20230724103440013

对象中父类的成员按照继承顺序在对象中以父类为单位，将成员按序存储，子类的成员在最后。

菱形虚拟继承的对象模型：

image-20230724104518492

A的成员，按继承角度来说，只能有一份，虚拟继承后，A 类的成员被单独放在了一个地方（开始或结束），放的地方由编译器决定，vs 放在了最下面。

这样就没有数据冗余二义性。但是属于 B 和 C 类的地方多了两串地址（指针），根据小端，把它们取出，查看地址对应位置的内存：

image-20230724120245331

为什么不直接在B类的地址处存偏移量？因为这个地方还有可能要存值，那么原空间就要存放多个值，浪费空间。所以存放指针，让指针指向那块空间的第一部分预留空间，第二部分存放偏移量，这样无论要存多少个值，只要存一个指针即可，节省空间（存的什么值，多态讲解）。

这样创建新对象的时候，新对象对应部分也可以指向指针，最大化利用了空间。

image-20230724111622146

偏移量的作用：

平常访问：d._a = 1 不需要偏移量，因为虚继承，编译器知道 _a 存放在最后，直接去最后找就可以。

虚继承后，B 类和 D 类具有一样的对象模型：

image-20230724113805799

8 就是 B 类型成员到 _a 的偏移量。_a 紧贴着 B 对象的成员。

当出现如下场景时：

int main()
{
	D d;
	d._a = 1;

	B b;
	b._a = 2;
	b._b = 3;
    
	// 切片时，B 对象指向的空间有两种情况，访问到正确的 _a, 就需要用到偏移量。
	B* ptr = &b;
	ptr->_a++;

	ptr = &d;
	ptr->_a++;

	return 0;
}

ptr->_a++ 的汇编是相同的，B* 指针可能指向 B 或者 D 对象，编译器并不知道它的指向，这时不是在编译时找到 _a 访问。难道每次在利用ptr指针访问 _a成员的时候还要先判断一下ptr指向的对象，再根据具体对象来确定具体的访问_a的方式（两个对象 _a 所在的位置都不同）？肯定不可能。这里的访问方式，那么就先访问指针处的位置，取到地址，再到指针的空间取偏移量，最后拿当前位置的地址加偏移量，访问到对应的 _a 。

image-20230724114143996

虚继承解决数据冗余，当公共父类成员越大时，节省空间越明显。

对于最初 Person 类菱形虚拟继承的关系图：

image-20230724162429931

八、总结与反思

  1. 很多人说C++语法复杂，其实多继承就是一个体现。有了多继承，就存在菱形继承，有了菱形继承就有菱形虚拟继承，底层实现就很复杂。所以谨慎使用多继承，一定不要设计出菱形继承。否则在复杂度及性能上都有问题。
  2. 多继承可以认为是C++的缺陷之一，很多后来的OO语言都没有多继承，如Java。
  3. 继承（私有不能访问）和组合（类中有相关类的成员：保护私有不能访问）public继承是一种is-a的关系。也就是说每个派生类对象都是一个基类对象。组合是一种has-a的关系。假设B组合了A，每个B对象中都有一个A对象。
  4. 优先使用对象组合，而不是类继承 。
  5. 继承允许你根据基类的实现来定义派生类的实现。这种通过生成派生类的复用通常被称为白箱复用(white-box reuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对子类可见 。继承一定程度破坏了基类的封装，基类的改变，对派生类有很大的影响。派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度高。
  6. 对象组合是类继承之外的另一种复用选择。新的更复杂的功能可以通过组装或组合对象来获得。对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。这种复用风格被称为黑箱复用(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可见的。对象只以“黑箱”的形式出现。组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低。优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装。
  7. 实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有些关系就适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。

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跃焱邵隼网站demo

跃焱邵隼网站demo

xdm 网站的代码开源了。 今年迷上摄影和剪辑了&#xff0c;所以很少投入到网站的维护。 然后经过群友的一些反馈&#xff0c;所以决定 将网站上demo开源放出来了。 后面有机会再出一些好玩的东西。 哦 对了 3d 编辑器我已经融入地图了 年底搞一些好玩的东西出来。 可以关注…
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树、二叉树（C语言版）详解

树、二叉树（C语言版）详解

&#x1f355;博客主页&#xff1a;️自信不孤单 &#x1f36c;文章专栏&#xff1a;数据结构与算法 &#x1f35a;代码仓库&#xff1a;破浪晓梦 &#x1f36d;欢迎关注&#xff1a;欢迎大家点赞收藏关注 文章目录 &#x1f34a;树的概念及结构1. 树的概念2. 树的相关概念3.树…
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算法通关村第一关-链表黄金挑战笔记|环的入口

算法通关村第一关-链表黄金挑战笔记|环的入口

解决链表环入口问题 文章目录 解决链表环入口问题前言链表中环的问题Hash和集合的解法&#xff1a;快慢指针实现解决&#xff1a; 解题思路&#xff1a;Hash或者使用集合的方式实现快慢指针&#xff08;这里使用三次刚好解决&#xff09; 总结 前言 提示&#xff1a;无论今天过…
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C++笔记之使用普通指针和shared_ptr在堆上申请类对象的各种写法

C++笔记之使用普通指针和shared_ptr在堆上申请类对象的各种写法

C笔记之使用普通指针和shared_ptr在堆上申请类对象的各种写法 code review! 文章目录 C笔记之使用普通指针和shared_ptr在堆上申请类对象的各种写法1.几种不同的写法2.ChatGpt回答 1.几种不同的写法 注&#xff1a;使用普通指针申请堆内存&#xff0c;其实是应该有delete的&…
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Redis常用数据类型和使用场景

Redis常用数据类型和使用场景

Redis目前支持5种数据类型&#xff0c;分别是&#xff1a; String&#xff08;字符串&#xff09; List&#xff08;列表&#xff09; Hash&#xff08;字典&#xff09; Set&#xff08;集合&#xff09; Sorted Set&#xff08;有序集合&#xff09; 下面就分别介绍这五…
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得物词分发平台技术架构建设与演进

得物词分发平台技术架构建设与演进

前言 在文章开始前先介绍下导购&#xff0c;导购通常是指帮助消费者在购物过程中做出最佳决策的人或系统。在电商网站中&#xff0c;导购可以引导用户关注热卖商品或促销活动等&#xff0c;帮助用户更好地进行购物。导购的目的是为了提高用户的购物体验&#xff0c;促进销售额…
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抽象工厂模式——产品族的创建

抽象工厂模式——产品族的创建

1、简介 1.1、简介 抽象工厂模式为创建一组对象提供了一种解决方案。与工厂方法模式相比&#xff0c;抽象工厂模式中的具体工厂不只是创建一种产品&#xff0c;它负责创建一族产品 1.2、定义 抽象工厂模式&#xff08;Abstract Factory Pattern&#xff09;&#xff1a;提供…
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4、非线性数据结构

4、非线性数据结构

上一节课我们讲了线性数据结构&#xff0c;这一节我们说下非线性数据结构。 非线性数据结构&#xff0c;从字面意思来看&#xff0c;就是指不是线性的结构。线性结构的特点是只有一个前驱和一个后继。 那么非线性结构的特点就是有多个前驱或后继了。 如果只存在一个没有前驱的…
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Python爬虫基础

Python爬虫基础

文章目录 Python学习记录Python基础爬虫&#xff1a;代码&#xff1a;运行结果&#xff1a; Python学习记录 Python基础爬虫&#xff1a; 代码&#xff1a; import urllib.request import random import chardet#请求头列表 us["Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 6.0; Wi…
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（学习笔记-IP）IP基础知识

（学习笔记-IP）IP基础知识

基本认识 IP在TCP/IP参考模型中处于第三层&#xff0c;也就是网络层。 网络层的主要作用是&#xff1a;实现主机与主机之间的通信&#xff0c;也叫点对点的通信。 网络层与数据链路层的关系&#xff1a; MAC的作用是实现直连的两个设备之间通信&#xff0c;而IP负责没有直连的…
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