2021-03-12-C++学习之10-类和对象-多态

一、多态的基本语法
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

二者区别：

• 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

代码测试1：

#include
using namespace std;
#include

//多态
//动物类
class Animal
{
public:
	void speak()
	{
		cout << "动物在说话" << endl;
	}
};
//猫类
class Cat :public Animal
{
public:
	void speak()
	{
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};
//执行说话
//Animal &animal = cat
//C++中允许父子类之间的转换
//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，那么这个函数地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定
void doSpeak(Animal &animal)
{
	animal.speak(); //将会输出 动物在说话
}
void test01()
{
	Cat cat;
	doSpeak(cat);
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

代码测试2：

#include
using namespace std;
#include

//多态
//动物类
class Animal
{
public:
	//虚函数，可以实现地址晚绑定
	virtual void speak()
	{
		cout << "动物在说话" << endl;
	}
};
//猫类
class Cat :public Animal
{
public:
	//重写：函数返回值类型 函数名 参数列表 完全相同
	//子类重写的父类函数前面的virtual可写可不写，没有影响
	virtual void speak()
	{
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};
class Dog :public Animal
{
	void speak()
	{
		cout << "小狗在说话" << endl;
	}
};
//执行说话
//Animal &animal = cat
//C++中允许父子类之间的转换
//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，那么这个函数地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定

//动态多态满足条件
//1、有继承关系
//2、子类要重写父类的虚函数

//动态多态使用
//父类的指针或者引用 指向子类对象 Animal &animal = cat

void doSpeak(Animal &animal)
{
	animal.speak(); //若不是虚函数将会输出 动物在说话
}
void test01()
{
	Cat cat;
	doSpeak(cat);
	Dog dog;
	doSpeak(dog);
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

输出：

小猫在说话
小狗在说话
请按任意键继续. . .

• 总结：
  动态多态满足条件：
  1、有继承关系
  2、子类要重写父类的虚函数
  动态多态使用条件：
  父类的指针或者引用指向子类对象
  重写：函数返回值类型 函数名 参数列表 完全相同

二、多态的原理剖析
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
代码：

#include
using namespace std;
#include

//多态
//动物类
class Animal
{
public:
	//虚函数，可以实现地址晚绑定
	virtual void speak()
	{
		cout << "动物在说话" << endl;
	}
};
//猫类
class Cat :public Animal
{
public:
	//重写：函数返回值类型 函数名 参数列表 完全相同
	//子类重写的父类函数前面的virtual可写可不写，没有影响
	void speak()
	{
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};
class Dog :public Animal
{
	void speak()
	{
		cout << "小狗在说话" << endl;
	}
};
//执行说话
//Animal &animal = cat
//C++中允许父子类之间的转换
//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，那么这个函数地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定

//动态多态满足条件
//1、有继承关系
//2、子类要重写父类的虚函数

//动态多态使用
//父类的指针或者引用 指向子类对象 Animal &animal = cat

void doSpeak(Animal &animal)
{
	animal.speak(); //若不是虚函数将会输出 动物在说话
}
void test01()
{
	Cat cat;
	doSpeak(cat);
	Dog dog;
	doSpeak(dog);
}
void test02()
{
	//当父类的函数不是虚函数（没有加virtual）时，
	//是一个空类，因为里面只有一个非静态成员函数，内存大小为1个字节
	//当父类的函数是虚函数（加virtual）时，内存大小为4个字节
	//此时是指针类型（所有指针所占内存均为4个字节）
	cout << "sizeof(Animal) = " << sizeof(Animal) << endl;
}

int main()
{
	test01();
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

父类的结构：

当子类 Cat 没有重写父类的额 speak()函数时，子类的结构为;

当子类 Cat 没有重写父类的额 speak()函数时，子类Cat 的结构为;

三、多态案例 – 计算器类
案例描述：
分别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器类
代码测试：

#include
using namespace std;
#include

//普通写法实现计算器
class Calculate
{
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
	}
	int m_Num1;
	int m_Num2;
};
void test01()
{
	Calculate 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;
}

//利用多态实现计算器
//多态的好处：
//1、层次结构清晰，立马定位出错地方
//2、可读性强
//3、对于前期和后期扩展以及维护性高

//实现计算器抽象类
class AbstractCalculate
{
public:
	virtual int getResult()
	{
		return 0;
	}
	int m_Num1;
	int m_Num2;
};
//加法计算器类
class AddCalculate :public AbstractCalculate
{
	int getResult()
	{
		return m_Num1 + m_Num2;
	}
};
//减法计算器类
class SubCalculate :public AbstractCalculate
{
	int getResult()
	{
		return m_Num1 - m_Num2;
	}
};
//乘法计算器类
class MulCalculate :public AbstractCalculate
{
	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
	//堆区数据需要手动开辟、手动释放
	AbstractCalculate* abc = new AddCalculate;
	abc->m_Num1 = 100;
	abc->m_Num2 = 100;
	cout << abc->m_Num1 << " + " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
	//用完后记得销毁
	delete abc;
	//减法
	abc = new SubCalculate;
	abc->m_Num1 = 200;
	abc->m_Num2 = 100;
	cout << abc->m_Num1 << " - " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
	delete abc;
	//乘法
	abc = new MulCalculate;
	abc->m_Num1 = 200;
	abc->m_Num2 = 100;
	cout << abc->m_Num1 << " * " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
	delete abc;
}

int main()
{
	cout << "test01() run ... " << endl;
	test01();
	cout << endl << "test02() run ... " << endl;
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

输出：

test01() run ...
10 + 10 = 20
10 - 10 = 0
10 * 10 = 100

test02() run ...
100 + 100 = 200
200 - 100 = 100
200 * 100 = 20000
请按任意键继续. . .

四、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。
• 因此可以将虚函数改为纯虚函数
• 纯虚函数语法：virtual 返回值类型 函数名 () = 0;
• 当类中有纯虚函数，这个类也称为抽象类
• 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。

代码测试：

#include
using namespace std;
#include

class Base
{
public:
	//纯虚函数
	//只要有一个纯虚函数，这个类称为抽象类
	//抽象类特点：
	//1、无法实例化对象
	//2、抽象类的子类 必须要重写父类中的纯虚函数，否则也属于抽象类
	virtual void func() = 0;
};
class Son :public Base
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Son func() 调用" << endl;
	}
};
void test01()
{
	//Base b;//抽象类无法实例化对象
	//new Base;//抽象类无法实例化对象
	//Son s;//子类没有重写父类中的纯虚函数，也是抽象类，无法实例化对象
	Son s;//子类已经重写父类的纯虚函数
	Base* base = new Son;
	base->func();
}

int main()
{
	cout << "test01() run ... " << endl;
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

输出：

test01() run ...
Son func() 调用
请按任意键继续. . .

五、多态案例 – 制作饮品

• 制作饮品的大致流程：注水 - 冲泡 - 倒入杯中 - 加入辅料。
• 利用多态技术实现本案例，提供抽象饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶。

代码测试：

#include
using namespace std;
#include

//制作饮品
class AbstractDrinking
{
public:
	//煮水
	virtual void Boil() = 0;
	//冲泡
	virtual void Brew() = 0;
	//倒入杯中
	virtual void PourInCup() = 0;
	//加入辅助佐料
	virtual void PutSomething() = 0;
	//制作饮品
	void makeDrink()
	{
		Boil();
		Brew();
		PourInCup();
		PutSomething();
	}
};
//制作咖啡
class Coffee :public AbstractDrinking
{
public:
	virtual void Boil()
	{
		cout << "煮农夫山泉" << endl;
	}
	virtual void Brew()
	{
		cout << "冲泡咖啡" << endl;
	}
	virtual void PourInCup()
	{
		cout << "倒入杯中" << endl;
	}
	virtual void PutSomething()
	{
		cout << "加入糖和牛奶" << endl;
	}
};
//制作茶叶
class Tea :public AbstractDrinking
{
public:
	virtual void Boil()
	{
		cout << "煮矿泉水" << endl;
	}
	virtual void Brew()
	{
		cout << "冲泡茶叶" << endl;
	}
	virtual void PourInCup()
	{
		cout << "倒入杯中" << endl;
	}
	virtual void PutSomething()
	{
		cout << "加入枸杞" << endl;
	}
};
//制作函数
void doWork(AbstractDrinking *abs)
{
	abs->makeDrink();
	delete abs;
}

void test01()
{
	//制作咖啡
	doWork(new Coffee);

	cout << "-------------------" << endl;
	//制作茶叶
	doWork(new Tea);
}

int main()
{
	cout << "test01() run ... " << endl;
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

输出：

test01() run ...
煮农夫山泉
冲泡咖啡
倒入杯中
加入糖和牛奶
-------------------
煮矿泉水
冲泡茶叶
倒入杯中
加入枸杞
请按任意键继续. . .

六、虚析构和纯虚析构

• 多态使用时，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。
• 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
• 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
  • 如果是虚析构，可以实例化对象
• 虚析构语法：
  • virtual ~类名() {}
• 纯虚析构语法：
  • virtual ~类名() = 0;

代码测试1：

#include
using namespace std;
#include

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

};
class Cat :public Animal
{
public:
	Cat(string name)
	{
		cout << "Cat 构造函数调用" << endl;
		m_Name = new string(name); //接收堆区创建的对象
	}
	virtual void speak()
	{
		cout << *m_Name << "小猫在说话" << endl;
	}
	string* m_Name;//创建在堆区
	~Cat()
	{
		cout << "Cat 析构函数调用" << endl;
		if (m_Name != NULL)
		{
			delete m_Name;
			m_Name = NULL;
		}
	}
};

void test01()
{
	//多态的使用条件：父类的指针指向子类的对象
	Animal* animal = new Cat("Tom");
	animal->speak();
	delete animal; //手动释放堆区内存
}

int main()
{
	cout << "test01() run ... " << endl;
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

输出：

test01() run ...
Animal 构造函数调用
Cat 构造函数调用
Tom小猫在说话
Animal 析构函数调用
请按任意键继续. . .

• 发现没有调用 Cat 子类析构代码。
• 利用虚析构可以解决 父类指针释放子类对象时不干净的问题：
  代码测试2：

#include
using namespace std;
#include

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

};
class Cat :public Animal
{
public:
	Cat(string name)
	{
		cout << "Cat 构造函数调用" << endl;
		m_Name = new string(name); //接收堆区创建的对象
	}
	virtual void speak()
	{
		cout << *m_Name << "小猫在说话" << endl;
	}
	string* m_Name;//创建在堆区
	~Cat()
	{
		cout << "Cat 析构函数调用" << endl;
		if (m_Name != NULL)
		{
			delete m_Name;
			m_Name = NULL;
		}
	}
};

void test01()
{
	//多态的使用条件：父类的指针指向子类的对象
	Animal* animal = new Cat("Tom"); //父类指针指向了子类的堆区数据
	animal->speak();
	//父类指针在析构时，不会调用子类中的析构函数，
	//导致子类如果有堆区属性，会出现内存泄露
	delete animal; //手动释放堆区内存，执行改行代码后调用父类的析构函数
	cout << "delete animal" << endl;
}

int main()
{
	cout << "test01() run ... " << endl;
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

输出：

test01() run ...
Animal 构造函数调用
Cat 构造函数调用
Tom小猫在说话
Cat 析构函数调用
Animal 析构函数调用
delete animal
请按任意键继续. . .

• 纯虚析构代码测试：

#include
using namespace std;
#include

//虚析构和纯虚析构
class Animal
{
public:
	Animal()
	{
		cout << "Animal 构造函数调用" << endl;
	}
	//纯虚函数
	virtual void speak() = 0;
	//虚析构
	/*virtual ~Animal()
	{
		cout << "Animal 虚析构函数调用" << endl;
	}*/
	//纯虚析构，必须需要代码进行实现，否则报错
	//这只是析构代码的声明，并没有进行实现
	//纯虚析构 需要声明 也需要实现
	//有了纯虚析构之后，这个类也属于抽象类，无法实现实例化对象
	virtual ~Animal() = 0;
};
//父类纯虚析构代码的具体实现
Animal::~Animal()
{
	cout << "Animal 纯虚析构函数调用" << endl;
}

class Cat :public Animal
{
public:
	Cat(string name)
	{
		cout << "Cat 构造函数调用" << endl;
		m_Name = new string(name); //接收堆区创建的对象
	}
	virtual void speak()
	{
		cout << *m_Name << "小猫在说话" << endl;
	}
	string* m_Name;//创建在堆区
	~Cat()
	{
		cout << "Cat 析构函数调用" << endl;
		if (m_Name != NULL)
		{
			delete m_Name;
			m_Name = NULL;
		}
	}
};

void test01()
{
	//多态的使用条件：父类的指针指向子类的对象
	Animal* animal = new Cat("Tom"); //父类指针指向了子类的堆区数据
	animal->speak();
	//父类指针在析构时，不会调用子类中的析构函数，
	//导致子类如果有堆区属性，会出现内存泄露
	delete animal; //手动释放堆区内存，执行改行代码后调用父类的析构函数
	cout << "delete animal" << endl;
}

int main()
{
	cout << "test01() run ... " << endl;
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

输出：

test01() run ...
Animal 构造函数调用
Cat 构造函数调用
Tom小猫在说话
Cat 析构函数调用
Animal 纯虚析构函数调用
delete animal
请按任意键继续. . .

• 总结：
  • 虚析构或纯虚析构就是用来解决通过父类指针释放子类对象
  • 如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构或纯虚析构
  • 拥有纯虚析构函数的类也属于抽象类，不能实例化对象

七、案例三 - 电脑组装需求分析
案例描述：


代码实现：

#include
using namespace std;
#include

//抽象不同零件类
//抽象CPU类
class CPU
{
public:
	virtual void calculate() = 0;
};
//抽象显卡类
class VideoCard
{
public:
	virtual void display() = 0;
};
//抽象内存条类
class Memory
{
public:
	virtual void storage() = 0;
};

//电脑类
class Computer
{
public:
	Computer(CPU *cpu,VideoCard *vc,Memory * memo)
	{
		m_cpu = cpu;
		m_memo = memo;
		m_vc = vc;
	}
	//提供工作的函数
	void work()
	{
		m_cpu->calculate();
		m_memo->storage();
		m_vc->display();
	}

	//提供析构函数 释放堆区的3个电脑零件
	~Computer()
	{
		cout << "Computer 析构代码执行" << endl;
		if (m_cpu != NULL)
		{
			delete m_cpu;
			m_cpu = NULL;
		}
		if (m_memo != NULL)
		{
			delete m_memo;
			m_memo = NULL;
		}
		if (m_vc != NULL)
		{
			delete m_vc;
			m_vc = NULL;
		}
	}

private:
	CPU* m_cpu;//CPU的零件指针
	VideoCard* m_vc;//显卡零件指针
	Memory* m_memo;//内存条指针
};

//具体厂商
//实现Intel厂商
class IntelCPU :public CPU
{
public:
	virtual void calculate()
	{
		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;
	}
};
//实现联想厂商
class LenovoCPU :public CPU
{
public:
	virtual void calculate()
	{
		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;
	}
};
//测试组装不同的电脑
void test01()
{
	//第一台电脑零件
	cout << "-----------第一台电脑开始工作-----------" << endl;
	CPU* intelCpu = new IntelCPU;
	VideoCard* intelCard = new IntelVideoCard;
	Memory* intelMem = new IntelMemory;
	//创建第一台电脑
	//父类指向子类的对象
	Computer * computer1 = new Computer(intelCpu, intelCard, intelMem);
	computer1->work();
	delete computer1;

	//第二台电脑组装
	//第二台电脑零件
	cout << endl << "-----------第二台电脑开始工作-----------" << endl;
	CPU* lenovoCpu = new LenovoCPU;
	VideoCard* lenovoCard = new LenovoVideoCard;
	Memory* lenovoMem = new LenovoMemory;
	//创建第二台电脑
	//父类指向子类的对象
	Computer* computer2 = new Computer(lenovoCpu, lenovoCard, lenovoMem);
	computer2->work();
	delete computer2;

	//第三台电脑组装
	//第三台电脑零件
	cout << endl << "-----------第三台电脑开始工作-----------" << endl;
	//创建第二台电脑
	//父类指向子类的对象
	Computer* computer3 = new Computer(new LenovoCPU, new IntelVideoCard, new LenovoMemory);
	computer3->work();
	delete computer3;

}

int main()
{
	test01();
	
	system("pause");
	return 0;
}

输出：

-----------第一台电脑开始工作-----------
Intel的CPU开始计算了！
Intel的内存条开始存储了！
Intel的显卡开始显示了！
Computer 析构代码执行

-----------第二台电脑开始工作-----------
Lenovo的CPU开始计算了！
Lenovo的内存条开始存储了！
Lenovo的显卡开始显示了！
Computer 析构代码执行

-----------第三台电脑开始工作-----------
Lenovo的CPU开始计算了！
Lenovo的内存条开始存储了！
Intel的显卡开始显示了！
Computer 析构代码执行
请按任意键继续. . .