C++核心编程---4.7 类和对象-多态【P135~P142】

4.7 多态

多态是C++面向对象三大特性之一
多态分为两类：

• 静态多态：函数重载 和 运算符重载属于静态多态，复用函数名
• 动态多态：派生类和虚函数实现运行时多态

静态多态和动态多态区别：

• 静态多态的函数地址早绑定 - 编译阶段确定函数地址
• 动态多态的函数地址晚绑定 - 运行阶段确定函数地址

4.7.1 多态的基本概念

多态满足条件：
1、有继承关系
2、子类重写父类中的虚函数

多态使用条件：
父类指针或引用指向子类对象

重写概念：
函数返回值类型 函数名 参数列表 完全一致称为重写

#include
#include
using namespace std;

class Animal
{
     
public:
	virtual void speak()//加上virtual ，虚函数
	{
     
		cout << "动物在说话" << endl;
	}
};

class Cat : public Animal
{
     
public:
	void speak()
	{
     
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};

//执行说话的函数
//地址早绑定 在编译阶段确定函数地址
//如果想执行让猫说话，那么这个函数的地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定，即地址晚绑定
void DoSpeak(Animal &animal)
{
     
	animal.speak();
}

void test01()
{
     
	Cat cat;
	DoSpeak(cat);//父类的引用可以直接指向子类的对象
}

int main()
{
     
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

4.7.2 多态的原理剖析

当 Animal 类的成员函数 void speak() 前加上关键字 virtual 后，Animal 类就占4个字节，原因在于这时存放的是 vfptr （虚函数指针），指针变量的内存大小是4个字节。

• v------virtual
• f------function
• ptr------pointer

该指针指向 vftable （虚函数列表），虚函数列表中存放的是 Animal 类的虚函数地址

Cat 类继承了 Animal 类的成员函数，拥有和 Animal 类同样的内部结构，即存在 vfptr 指针指向 vftable 。
然鹅当子类重写父类的虚函数时，子类中的虚函数表内部会替换成子类的虚函数地址。因此，当父类的指针或者引用指向子类对象的时候，发生多态。

4.7.3 案例1-计算机类

案例描述：
分别利用普通写法和多态技术，设计实现两个操作数进行运算的计算机类。

多态的优点：

• 代码组织结构清晰
• 可读性强
• 利于前期和后期的扩展以及维护

普通写法实现

#include
#include
using namespace std;

//普通写法
class Calculator
{
     
public:
	int getResult(string oper)
	{
     
		if (oper == "+")
		{
     
			return m_Num1 + m_Num2;
		}
		else if (oper == "-")
		{
     
			return m_Num1 - m_Num2;
		}
		else if (oper == "*")
		{
     
			return m_Num1 * m_Num2;
		}
		//如果想扩展新的功能，需要修改源码
		//在真实的开发中  提倡开闭原则
		//开闭原则：对扩展进行开发，对修改进行关闭
		else if(oper == "/")
		{
     
			return m_Num1 / m_Num2;
		}
	}
	int m_Num1;
	int m_Num2;
};

void test01()
{
     
//创建计算器对象
	Calculator c;
	c.m_Num1 = 10;
	c.m_Num2 = 10;

	cout << c.m_Num1 << "+" << c.m_Num2 << "=" << c.getResult("+") << endl;
	cout << c.m_Num1 << "-" << c.m_Num2 << "=" << c.getResult("-") << endl;
	cout << c.m_Num1 << "*" << c.m_Num2 << "=" << c.getResult("*") << endl;
}

int main()
{
     
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

如果想扩展新的功能，需要修改源码
在真实的开发中 提倡开闭原则
开闭原则：对扩展进行开放，对修改进行关闭

多态写法实现

#include
#include
using namespace std;

//多态实现写法
//基函数
class AbstractCalculator
{
     
public:
	virtual int getResult()
	{
     
		return 0;
	}

	int m_Num1;
	int m_Num2;
};
//加法类
class AddCalculator : public AbstractCalculator
{
     
public:
	int getResult()
	{
     
		return m_Num1 + m_Num2;
	}
};
//减法类
class SubCalculator : public AbstractCalculator
{
     
public:
	int getResult()
	{
     
		return m_Num1 - m_Num2;
	}
};
//乘法类
class MulCalculator : public AbstractCalculator
{
     
public:
	int getResult()
	{
     
		return m_Num1 * m_Num2;
	}
};

void test02()
{
     
	//多态使用条件
	//父类指针或者引用指向子类对象

	//加法运算
	AbstractCalculator * abs = new AddCalculator;
	abs->m_Num1 = 10;
	abs->m_Num2 = 20;
	cout << abs->m_Num1 << "+" << abs->m_Num2 << "=" << abs->getResult() << endl;
	//用完记得销毁
	delete abs;//这里是把堆区的数据释放了，但是 abs 依然是父类指针

	//减法运算
	abs = new SubCalculator;
	abs->m_Num1 = 200;
	abs->m_Num2 = 300;
	cout << abs->m_Num1 << "-" << abs->m_Num2 << "=" << abs->getResult() << endl;
	delete abs;

	//乘法运算
	abs = new MulCalculator;
	abs->m_Num1 = 200;
	abs->m_Num2 = 300;
	cout << abs->m_Num1 << "*" << abs->m_Num2 << "=" << abs->getResult() << endl;
	delete abs;
}

int main()
{
     
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

多态带来的好处：

• 组织结构清晰
• 可读性强

总结：C++ 开发提倡利用多态设计程序架构，因为多态优点很多

4.7.4 纯虚函数和抽象类

在多态中，通常父类中虚函数的实现是毫无意义的，主要都是调用子类重写的内容。
因此可以将虚函数设置为纯虚函数
纯虚函数语法： virtual 返回值卡类型 函数名 （参数列表）= 0
当类中出现了虚函数，这个类也被称为抽象类

抽象类特点：

• 无法实例化对象
• 子类必须重写抽象类中的纯虚函数，否则也属于抽象类

#include
#include
using namespace std;

class Base
{
     
public:
	//纯虚函数
	//只要有一个纯虚函数，这个类就称为抽象类
	virtual void func() = 0;
};

class Son : public Base
{
     
public:
	 void func()
	 {
     
		 cout << "func函数调用" << endl;
	 };
};

void test01()
{
     
	//Base b;//报错，抽象类无法实例化对象
	//new Base;//报错，抽象类无法实例化对象
	//Son s;//子类必须重写父类中的纯虚函数，否则无法实例化对象

	Base * base = new Son;
	base->func();
}

int main()
{
     
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

4.7.5 案例2-制作饮品

案例描述：
制作饮品的大致流程为：煮水 - 冲泡 - 倒入杯中 - 加入辅料

利用多态技术实现本案例，提供抽象制作饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶

#include
#include
using namespace std;

class AbstractDrinking
{
     
public:
	//煮水
	virtual void Boil() = 0;
	//冲泡
	virtual void Brew() = 0;
	//倒入杯中
	virtual void PourInCup() = 0;
	//加入辅料
	virtual void PutSomething() = 0;
	//制作饮品
	void makeDrink()
	{
     
		Boil();
		Brew();
		PourInCup();
		PutSomething();
	}
};
//制作咖啡
class Coffee : public AbstractDrinking
{
     
public:
	//煮水
	virtual void Boil()
	{
     
		cout << "煮水" << endl;
	}
	//冲泡
	virtual void Brew()
	{
     
		cout << "冲泡咖啡" << endl;
	}
	//倒入杯中
	virtual void PourInCup()
	{
     
		cout << "倒入咖啡杯中" << endl;
	}
	//加入辅料
	virtual void PutSomething()
	{
     
		cout << "加入牛奶和糖" << endl;
	}

};

//制作茶
//制作咖啡
class Tea : public AbstractDrinking
{
     
public:
	//煮水
	virtual void Boil()
	{
     
		cout << "煮水" << endl;
	}
	//冲泡
	virtual void Brew()
	{
     
		cout << "冲泡茶叶" << endl;
	}
	//倒入杯中
	virtual void PourInCup()
	{
     
		cout << "倒入茶杯中" << endl;
	}
	//加入辅料
	virtual void PutSomething()
	{
     
		cout << "加入辅料" << endl;
	}

};

void doWork(AbstractDrinking *abs)
{
     
	abs->makeDrink();
	delete abs;
}

void test01()
{
     
	//制作咖啡
	doWork(new Coffee);
	cout << "--------------" << endl;
	doWork(new Tea);
}


int main()
{
     
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

4.7.6 虚析构和纯虚析构

多态使用时，父类指针会指向子类对象，父类指针是无法释放子类中的析构代码的，如果子类中有属性开辟到堆区，那么父类指针在释放时无法调用到子类的析构代码，堆区的数据会造成内存泄漏。

解决方式：将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构

虚析构和纯虚析构共性：

• 可以解决父类指针释放子类对象
• 都需要有具体的函数实现（类内声明，类外实现）

class Animal
{
     
public:
	Animal()
	{
     
		cout << "Animal 的构造函数调用" << endl;
	}
	virtual ~Animal() = 0;//纯虚析构
	//纯虚函数
	virtual void speak() = 0;
};
Animal::~Animal()
{
     
	cout << "Animal 的纯虚析构函数调用" << endl;
}

虚析构和纯虚析构区别：

• 如果是纯虚析构，该类属于抽象类，无法实例化对象

虚析构语法：
virtual ~类名（）{}
纯虚析构语法：
virtual ~类名（）= 0；
类名::~类名（）{}

#include
#include
using namespace std;

class Animal
{
     
public:
	Animal()
	{
     
		cout << "Animal 的构造函数调用" << endl;
	}
	//virtual ~Animal()//加关键字 virtual，虚析构
	//{
     
	//	cout << "Animal 的虚析构函数调用" << endl;
	//}

	virtual ~Animal() = 0;//纯虚析构

	//纯虚函数
	virtual void speak() = 0;

};

Animal::~Animal()
{
     
	cout << "Animal 的纯虚析构函数调用" << endl;
}

class Cat : public Animal
{
     
public:

	
	Cat(string name)
	{
     
		cout << "Cat 的构造函数调用" << endl;
		m_Name = new string (name);//new返回的是当前类型的指针
	}

	virtual void speak()
	{
     
		cout << *m_Name << "小猫在说话" << endl;
	}
	string *m_Name;//做成指针，让它创建在堆区

	~Cat()
	{
     
		if (m_Name != NULL)
		{
     
			cout << "Cat 的析构函数调用" << endl;
			delete m_Name;
			m_Name = NULL;
		}
	}

};

void test01()
{
     
	Animal * animal = new Cat("Tom");
	animal->speak();
	//父类指针在析构时候，不会调用子类中析构函数，导致子类如果有堆区属性，出现内存泄露
	delete animal;
}

int main()
{
     
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结：

• 1、虚析构或纯虚析构就是用来解决父类指针释放子类对象
• 2、如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构或纯虚析构
• 3、拥有纯虚析构函数的类也属于抽象类

4.7.7 案例3-电脑组装

案例描述：
电脑主要组成部件为CPU (用于计算)，显卡（用于显示)，内存条（用于存储)
将每个零件封装出抽象基类，并且提供不同的厂商生产不同的零件，例如Intel厂商和 Lenovo 厂商
创建电脑类提供让电脑工作的函数，并且调用每个零件工作的接口
测试时组装三台不同的电脑进行工作

#include
#include
using namespace std;

//抽象出不同的零件类
//抽象出CPU类
class CPU
{
     
public:
	virtual void calculator() = 0;
};

//抽象出显卡类
class VideoCard
{
     
public:
	virtual void display() = 0;
};

//抽象出内存条类
class Memory
{
     
public:
	virtual void storage() = 0;
};

//电脑类
class Computer//Computer 类就是一个接口类，所有类的调用、实现、释放，都是通过他的指针来实现的
{
     
public:
	Computer(CPU * cpu, VideoCard * vc, Memory * mem)
	{
     
		m_cpu = cpu;
		m_vc = vc;
		m_mem = mem;
	}

	//提供工作的函数
	void Work()
	{
     
		//让零件工作起来，调用接口
		m_cpu->calculator();
		m_vc->display();
		m_mem->storage();
	}

	//提供析构函数，释放三个电脑的零件
	~Computer()
	{
     
		if (m_cpu != NULL)
		{
     
			delete m_cpu;
			m_cpu = NULL;
		}

		if (m_vc != NULL)
		{
     
			delete m_vc;
			m_vc = NULL;
		}

		if (m_mem != NULL)
		{
     
			delete m_mem;
			m_mem = NULL;
		}
	}


private://这里为什么要用指针？抽象类不能实例化对象，只能创建指针，指向可以实例化的子类
	CPU * m_cpu;//CPU的零件指针
	VideoCard * m_vc;  //显卡零件指针
	Memory * m_mem;//内存条零件指针
};

//具体厂商
//Intel 厂商
class IntelCPU : public CPU
{
     
public:
	virtual void calculator()
	{
     
		cout << "Intel 的 CPU 开始计算了" << endl;
	}
};

class IntelVideoCard : public VideoCard
{
     
public:
	virtual void display()
	{
     
		cout << "Intel 的 显卡 开始显示了" << endl;
	}
};

class IntelMemory : public Memory
{
     
public:
	virtual void storage()
	{
     
		cout << "Intel 的 内存条 开始存储了" << endl;
	}
};

//Lenovo 厂商
class LenovoCPU : public CPU
{
     
public:
	virtual void calculator()
	{
     
		cout << "Lenovo 的 CPU 开始计算了" << endl;
	}
};

class LenovoVideoCard : public VideoCard
{
     
public:
	virtual void display()
	{
     
		cout << "Lenovo 的 显卡 开始显示了" << endl;
	}
};

class LenovoMemory : public Memory
{
     
public:
	virtual void storage()
	{
     
		cout << "Lenovo 的 内存条 开始存储了" << endl;
	}
};

//开始测试
void test01()
{
     
	//第一台电脑零件
	CPU * intelCpu = new IntelCPU;
	VideoCard * intelCard = new IntelVideoCard;
	Memory * intelMem = new IntelMemory;
	Computer * computer1 = new Computer(intelCpu, intelCard, intelMem);
	computer1->Work();
	delete computer1;

	cout << "--------------------" << endl;
	//第二台电脑零件
	Computer * computer2 = new Computer(new LenovoCPU, new LenovoVideoCard,new LenovoMemory );
	computer2->Work();
	delete computer2;

	cout << "--------------------" << endl;
	//第三台电脑零件
	Computer * computer3 = new Computer(new IntelCPU, new LenovoVideoCard, new IntelMemory);
	computer3->Work();
	delete computer3;

}

int main()
{
     
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}