C++学习练习 之多态

C++学习练习
之多态

简单来说，多态很强！

一、多态基本概念

1、多态分为静态多态和动态多态。

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。

2、静态多态和动态多态区别。

静态多态：静态多态的函数地址早绑定，在编译阶段确定函数地址。

动态多态：动态多态的函数地址晚绑定，在运行阶段确定函数地址。

3、动态多态满足条件

1、有继承关系
2、子类重写父类的虚函数

4、动态多态使用

父类的指针或者引用 指向子类对象

代码如下：

#include 
using namespace std;

//多态
//动物类
class Animal{
    public:
        //虚函数
        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
        void Speak(){
            cout << "阿猫在说话！" << endl;
        }
};

//狗类
class Dog : public Animal{
    public:
        void Speak(){
            cout << "阿狗在说话！" << 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，那么这个地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定，地址晚绑定

//动态多态满足条件
//1、有继承关系
//2、子类重写父类的虚函数

//动态多态使用
//父类的指针或者引用 指向子类对象
void doSpeak (Animal &animal) {  //Animal & animal = cat;
    animal.Speak();
}

void test01(){
    Cat cat;
    doSpeak(cat);
    Dog dog;
    doSpeak(dog);
}

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

在学习继承的时候学过加上virtual关键字，就会变成虚函数，子类重写这个虚函数就是简单的多态。

二、多态小案例1之计算器类

这个小案例主要学习使用多态的好处：

1、组织结构清晰
2、可读性强
3、对于前期和后期扩展以及维护性高

案例代码：

#include 
using namespace std;

//分别利用普通写法和多态技术实现计算器
//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
        }
        int m_Num1; //操作数1
        int m_Num2; //操作数2
};

void test01(){
    Calculator c;
    c.m_Num1 = 100;
    c.m_Num2 = 100;
    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
//多态好处
//1、组织结构清晰
//2、可读性强
//3、对于前期和后期扩展以及维护性高
//实现计算器的抽象类
class AbstractCalculator{
    public:
        virtual int getResult(){
            return 0;
        }
        int m_Num1;
        int m_Num2;
};

//加法计算器类
class AddCalculator : public AbstractCalculator{
    public:
        int getResult(){
            return m_Num1 + m_Num2;
        }
};

//减法计算器类
class SubCalculator : public AbstractCalculator{
    public:
        int getResult(){
            return m_Num1 - m_Num2;
        }
};

//乘法计算器类
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 *abc = new AddCalculator;
    abc->m_Num1 = 10;
    abc->m_Num2 = 20;
    cout << abc->m_Num1 << " + " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;

    //用完后记得销毁
    delete abc;

    //减法运算
    abc = new SubCalculator;
    abc->m_Num1 = 10;
    abc->m_Num2 = 20;
    cout << abc->m_Num1 << " - " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
    delete abc;

    //乘法运算
    abc = new MulCalculator;
    abc->m_Num1 = 10;
    abc->m_Num2 = 20;
    cout << abc->m_Num1 << " * " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
    delete abc;
}

int main(){
    test01();
    test02();
    system("pause");
    return 0;
}

三、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 （参数列表） = 0;

这一小节主要学习纯虚函数和抽象类的特点及关系：

纯虚函数
只要有一个纯虚函数，这个类就称为抽象类

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

代码示例：

#include 
using namespace std;

//纯虚函数和抽象类
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
        //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 << "func 函数调用" << endl;
        };
};

void test01(){
    // Base b;  //抽象类是无法实例化对象的
    // new Base; //抽象类是无法实例化对象的
    // 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
    // s.func();
    Base * base = new Son;
    base->func();
}

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

四、多态小案例2之制作饮品

这个小案例主要学习纯虚函数和抽象类的运用以及多态的运用方式。

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
利用多态技术实现案例，提供抽象制作饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶。

案例代码：

#include 
using namespace std;

//多态案例2之制作饮品

class AbstractDringking{
    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
        virtual void makeDrink (){
            Boil();
            Brew();
            PourInCup();
            PutSomething();
        }
};

//制作咖啡
class Coffee : public AbstractDringking{
    public:
        //煮水
        virtual void Boil (){
            cout << "煮农夫山泉" << endl;
        }
        //冲泡
        virtual void Brew (){
            cout << "冲泡咖啡" << endl;
        }
        //倒入杯中
        virtual void PourInCup (){
            cout << "倒入杯中" << endl;
        }
        //加入辅料
        virtual void PutSomething (){
            cout << "加入糖和牛奶" << endl; 
        }
};

//制作茶叶
class Tea : public AbstractDringking{
    public:
        //煮水
        virtual void Boil (){
            cout << "煮矿泉水" << endl;
        }
        //冲泡
        virtual void Brew (){
            cout << "冲泡茶叶" << endl;
        }
        //倒入杯中
        virtual void PourInCup (){
            cout << "倒入杯中" << endl;
        }
        //加入辅料
        virtual void PutSomething (){
            cout << "加入柠檬和枸杞" << endl; 
        }
};

//制作函数
void doWork(AbstractDringking * abs){   //AbstractDringking * abs = new Coffee;
    abs->makeDrink();
    delete abs;  //释放
}

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

    cout << "=========分割线=========" << endl;

    //制作茶叶
    doWork(new Tea);
}

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

五、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纯虚析构。

虚析构和纯虚析构的作用和特点 :

1、可以解决父类指针释放子类对象时不干净的问题
2、而纯虚析构 需要声明也需要实现
3、有了纯虚析构之后 这个类也属于抽象类，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 （） { }

代码示例：

#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;
        }

        //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
        // virtual ~Animal(){
        //     cout << "Animal虚析构函数调用" << endl;
        // }

        //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，无法实例化对象
        virtual ~Animal() = 0;

        virtual void Speak() = 0;
};

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);
        }
        void Speak(){
            cout << *m_Name << "阿猫在说话！" << endl;
        }

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

        string * m_Name;
};

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，出现内存泄漏
    delete animal;
}

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

六、多态案例3之电脑组装

这个小案例综合运用了前面所学的多态知识。

案例描述：

1、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）
2、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
3、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
4、测试时组装三台不同的电脑进行工作

案例代码：

#include 
using namespace std;

/*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*/

//抽象不同零件类
//抽象CPU类
class CPU {
    public:
        //抽象的计算函数
        virtual void calculate() = 0;
};

//抽象显卡类
class VideoCard {
    public:
        //抽象的显示函数
        virtual void display() = 0;
};

//抽象内存条类
class Memory {
    public:
        //抽象的存储函数
        virtual void storage() = 0;
};

//电脑类
class Computer{
    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->calculate();
            m_vc->display();
            m_mem->storage();
        }

        //提供析构函数  释放三个电脑零件
        ~Computer(){
            //释放CPU零件
            if(m_cpu != NULL){
                delete m_cpu;
                m_cpu = NULL;
            }

            //释放显卡零件
            if(m_vc != NULL){
                delete m_vc;
                m_vc = NULL;
            }

            //释放内存条零件
            if(m_mem != NULL){
                delete m_mem;
                m_mem = NULL;
            }
        }

    private:
        CPU * m_cpu;  //CPU的零件指针
        VideoCard *m_vc; //显卡的零件指针
        Memory *m_mem;  //内存条零件指针
};

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

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

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

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

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

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

void test01(){
    //第一台电脑零件
    CPU * intelcpu = new IntelCPU;
    VideoCard * intelCard = new IntelVideoCard;
    Memory * intelMemory = new IntelMemory;

    //创建第一台电脑
    cout << "=====第一台电脑=====" << endl;
    Computer * computer1 = new Computer(intelcpu,intelCard,intelMemory);
    computer1->work();
    delete computer1;

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

    //第三台电脑组装 
    cout << "=====第三台电脑=====" << endl;
    Computer * computer3 = new Computer(new LenovoCPU, new IntelVideoCard, new LenovoMemory);
    computer3->work();
    delete computer3;
}

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

七、学习资源

学习资源

https://www.bilibili.com/video/BV1et411b73Z?p=135

八、总结

学习了多态，我才感觉摸到了编程的边儿，以前也写过一些代码，感觉都是在小打小闹，多态让我真切认识到了程序的扩展是追加，而不是修改。程序的可读性，类的封装使用等等，感觉现在学到的仍然只是皮毛，都还需要继续学习。