【C++】多态
目录
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- 4.7 多态
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- 4.7.1 多态的基本概念
- 4.7.2 多态案例一-计算器类
- 4.7.3 纯虚函数和抽象类
- 4.7.4 多态案例二-制作饮品
- 4.7.5 虚析构和纯虚析构
- 4.7.6 多态案例三-电脑组装
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橙色
4.7 多态
4.7.1 多态的基本概念
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
下面通过案例进行讲解多态：
class Animal
{
public:
virtual ~Animal() {}
//Speak函数就是虚函数
//函数前面加上virtual关键字，变成虚函数，那么编译器在编译的时候就不能确定函数调用了。
virtual void speak()
{
cout << "动物在说话" << endl;
}
};
class Cat :public Animal
{
public:
void speak()
{
cout << "小猫在说话" << endl;
}
};
class Dog :public Animal
{
public:
void speak()
{
cout << "小狗在说话" << endl;
}
};
//我们希望传入什么对象，那么就调用什么对象的函数
//如果函数地址在编译阶段就能确定，那么静态联编
//如果函数地址在运行阶段才能确定，就是动态联编
void DoSpeak(Animal & animal) // Animal & animal = cat；
{
animal.speak();
}
//
//多态满足条件：
//1、有继承关系
//2、子类重写父类中的虚函数，重写是指函数返回值的类型、函数名、参数列表完全相同
//多态使用：
//父类指针或引用指向子类对象
void test01()
{
Cat cat;
DoSpeak(cat);
Dog dog;
DoSpeak(dog);
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
注意第37行是一个父类的引用在指向子类的对象。在c++中允许父子之间的类型转换，不需要做强制的类型转换，所以父类的指针或引用就可以直接指向子类的对象
如果将第6行的virtual去掉，则运行的结果会是动物在说话。因为无论你在DoSpeak函数里传什么参数，都会调用类Animal里的函数，程序里已经通过void DoSpeak(Animal & animal)绑定了，在编译阶段就能够确定函数地址。
所以如果想执行小猫在说话，函数地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定
同时需要注意的是：当利用基类指针指向派生类对象，而派生类对象是使用new运算动态生成的，这是可能会产生不确定的后果 。此时需要使用虚析构函数。因为当使用指向派生类对象的基类指针进行删除操作时，如果基类包含一个虚析构函数，那么实际调用的将是派生类的析构函数。如果没有虚关键字，那么将调用基类的析构函数，这可能会导致未定义的行为，因为可能还有一些派生类特有的资源需要被清理。
总结：
多态满足条件
- 有继承关系
- 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：函数返回值类型 函数名 参数列表 完全一致称为重写
探究下Animal类的内部结构，因为它内部有虚函数，所以会有一个虚函数表指针vfptr(virtual function pointer)
等号左边编译类型右边运行类型，早绑定看编译类型，晚绑定看运行类型
4.7.2 多态案例一-计算器类
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器类
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
示例：
在普通实现中，假如想要增加除法功能（即扩展新的功能），则需要修改源码
//普通实现
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;
}
//如果要提供新的运算，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
}
public:
int m_Num1;
int m_Num2;
};
void test01()
{
//普通实现测试
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;
}
//多态实现
//抽象计算器类
//多态优点：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
class AbstractCalculator
{
public :
virtual int getResult()
{
return 0;
}
int m_Num1;
int m_Num2;
};
//加法计算器
class AddCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
int getResult()
{
return m_Num1 + m_Num2;
}
};
//减法计算器
class SubCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
int getResult()
{
return m_Num1 - m_Num2;
}
};
//乘法计算器
class MulCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
int getResult()
{
return m_Num1 * m_Num2;
}
};
void test02()
{
//创建加法计算器
AbstractCalculator *abc = new AddCalculator; //父类的指针指向子类对象
abc->m_Num1 = 10;
abc->m_Num2 = 10;
cout << abc->m_Num1 << " + " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
delete abc; //用完了记得销毁
//创建减法计算器
abc = new SubCalculator;
abc->m_Num1 = 10;
abc->m_Num2 = 10;
cout << abc->m_Num1 << " - " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
delete abc;
//创建乘法计算器
abc = new MulCalculator;
abc->m_Num1 = 10;
abc->m_Num2 = 10;
cout << abc->m_Num1 << " * " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
delete abc;
}
int main() {
//test01();
test02();
system("pause");
return 0;
}
可以看到，普通的写法代码量是更少的，那为什么还要提倡多态写法呢？首先是利用多态写出来的计算器结构清晰；其次是如果你想扩展新的功能，那么普通的写法就只能修改源码了。但在真实的开发中，扩展新功能并不提倡去修改源码。而在多态中不需要改动原来的代码，直接在下面再加一个除法类即可
4.7.3 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 ;
当类中有了纯虚函数，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（那么这个子类也就无法实例化对象）
示例：
class Base
{
public:
//纯虚函数
//类中只要有一个纯虚函数就称为抽象类
//抽象类无法实例化对象
//子类必须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调用" << endl;
};
};
void test01()
{
Base * base = NULL;
//base = new Base; // 错误，抽象类无法实例化对象
base = new Son;
base->func();
delete base;//记得销毁
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
4.7.4 多态案例二-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
示例：
//抽象制作饮品
class AbstractDrinking {
public:
//烧水
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;
//规定流程
void MakeDrink() { //这个函数中里面四个函数的调用都是从子类的重写函数中去调用
Boil();
Brew();
PourInCup();
PutSomething();
}
};
//制作咖啡
class Coffee : public AbstractDrinking {
public:
//烧水
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 << "将咖啡倒入杯中!" << endl;
}
//加入辅料
virtual void PutSomething() {
cout << "加入牛奶!" << endl;
}
};
//制作茶水
class Tea : public AbstractDrinking {
public:
//烧水
virtual void Boil() {
cout << "煮自来水!" << endl;
}
//冲泡
virtual void Brew() {
cout << "冲泡茶叶!" << endl;
}
//倒入杯中
virtual void PourInCup() {
cout << "将茶水倒入杯中!" << endl;
}
//加入辅料
virtual void PutSomething() {
cout << "加入枸杞!" << endl;
}
};
//业务函数
void DoWork(AbstractDrinking* drink) {
drink->MakeDrink();
delete drink;
}
void test01() {
DoWork(new Coffee);
cout << "--------------" << endl;
DoWork(new Tea);
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
4.7.5 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：
- 如果是纯虚析构函数，该类属于抽象类，无法实例化对象（前面类中提过有纯虚函数也算是抽象类）。而如果是虚析构函数，那么还是可以实例化对象的。
虚析构语法：
virtual ~类名(){}
纯虚析构语法：
virtual ~类名() = 0;
类名::~类名(){}
示例：
在cat类的构造函数中，创建了m_Name在堆区，所以应在其析构函数中进行释放。但在函数test01中delete animal;时，仅仅只会出发animal类的析构函数，并不会调用cat类的析构函数，这样就是导致存储在堆区的m_Name无法释放。
产生这个问题的原因就是使用了父类的指针指向了子类的对象，所以delete animal时不会调用子类的析构函数。所以应该把父类的析构函数变为虚析构函数，这样就能调用子类的析构函数。
把父类的析构函数写成纯虚析构函数也是可以的，如下面的例子，但要在类外对纯虚析构函数作一个实现。这一点与纯虚成员函数不同，纯虚成员函数只需要类中声明就够了不需要有实现，而纯虚析构函数既需要类中有声明，也需要类外有实现
class Animal {
public:
Animal()
{
cout << "Animal 构造函数调用！" << endl;
}
virtual void Speak() = 0;
//析构函数加上virtual关键字，变成虚析构函数，这样就可以解决第60行释放父类指针所
//指向的子对象时释放不干净的问题
//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，如果没有下面的类外实现，则仅仅只有一个声明，
//编译器在链接阶段找不到该函数的定义，则会报错。
//有了纯虚析构函数之后，这个类也属于抽象类，无法实例化对象
virtual ~Animal() = 0;
};
Animal::~Animal()
{
cout << "Animal 纯虚析构函数调用！" << endl;
}
//和包含普通纯虚函数的类一样，包含了纯虚析构函数的类也是一个抽象类。不能够被实例化。
class Cat : public Animal {
public:
Cat(string name)
{
cout << "Cat构造函数调用！" << endl;
m_Name = new string(name);
}
virtual void Speak()
{
cout << *m_Name << "小猫在说话!" << endl;
}
~Cat()
{
cout << "Cat析构函数调用!" << endl;
if (this->m_Name != NULL) {
delete m_Name;
m_Name = NULL;
}
}
public:
string *m_Name;
};
void test01()
{
Animal *animal = new Cat("Tom");
animal->Speak();
//父类指针在析构的时候，不会调用子类中的析构函数，导致子类对象如果有堆区属性，可能清理不干净，造成内存泄漏
//怎么解决？给基类增加一个虚析构函数
//虚析构函数就是用来解决通过父类指针释放子类对象
delete animal;
}
int main() {
test01();
system("pause");
return 0;
}
总结：
是否所有的子类都需要写虚析构函数或者纯虚析构函数嘛？并不是，仅仅当子类中有一些属性开辟到堆区了，这时需要调用子类中的析构函数，才需要将其写成虚析构或者纯虚析构函数。
4.7.6 多态案例三-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
示例：
#include