C++基础（18）——多态
1.多态的基本概述
1.1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：函数重载与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
1.2区别
静态多态与动态多态的区别：
- 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
1.3案例分析
#include
using namespace std;
//动物类
class Animal {
public:
void speak() {
cout << "动物再说话" << endl;
}
};
class Cat :public Animal {
public:
void speak() {
cout << "小猫再说话" << endl;
}
};
//执行说话的函数
//地址早绑定，再编译阶段就确定了函数地址
void dospeak(Animal& animal) {//Animal& animal=cat
animal.speak();
}
void test01() {
Cat cat;
dospeak(cat);
}
void main() {
test01();
} 
我们想既然传入的是cat对象，肯定是想输出猫再说话，为什么输出动物在说话呢？是因为 静态多态的函数地址早绑定，编译阶段确定函数地址。就因为void dospeak(Animal& animal) 传入的是一个Animal对象，引用也好调入一个对象也好，调用dospeak（）函数不管传入猫或者狗，都会走animal里面的dospeak（）。如果我们要想让猫说话，我们利用动态多态，也就是让地址晚绑定。
只需要在dospeak（）函数前面加一个virtual这个函数就称为虚函数，这就完成了地址晚绑定。如下：
2.动态多态满足的条件
- 有继承关系
- 子类重写父类的虚函数
注：
重写：函数返回值类型，函数名 参数列表 完全相同，重写不是覆盖，而是在子类中父类的函数会被隐蔽
重载：函数返回值类型，函数名相同，参数的顺序，数量等不同
3.多态的原理剖析
Animal内存结构图
Cat结构图：
- 当我注释了Cat的dospek函数重写的部分，Cat的所有部分都是继承的，Cat类中也有4个字节，他继承了Animal类中的vfptr，vfptr指向的是vftable，记录的是Animal的dospeak()的函数。如上图
- 当发生重写的时候，字节还是4 ，还是继承了父类的vfptr指向vftable,但是vfptr指向vftable的数据被覆盖了，换成了猫的dospeak()函数入口地址，所以在传入猫的dospeak()就指向的是猫在说话了。如下图
4.多态的案例1
4.1案例描述
分别利用普通的写法和多态技术，设计实现两个操作数进行运算的计算类。
4.2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
4.3实现
4.3.1普通写法
#include
using namespace std;
//普通计算器写法
class Calculate
{
public:
int getResult(string oper)
{
if (oper == "+")
{
return mNum1 + mNum2;
}
else if (oper=="-")
{
return mNum1 - mNum2;
}
else if (oper == "*")
{
return mNum1 * mNum2;
}
//普通写法的不好之处是，如果我要继续写除法，要继续的修改源码，后面要开发乘方，开方等功能还要继续的修改源码
}
int mNum1;
int mNum2;
};
void test01() {
Calculate c;
c.mNum1 = 10;
c.mNum2 = 10;
cout << c.mNum1 << "+" << c.mNum2 << "=" << c.getResult("+") << endl;
cout << c.mNum1 << "-" << c.mNum2 << "=" << c.getResult("-") << endl;
cout << c.mNum1 << "*" << c.mNum2 << "=" << c.getResult("*") << endl;
}
void main()
{
test01();
} 
普通写法的不好之处是，如果我要继续写除法，要继续的修改源码，后面要开发乘方，开方等功能还要继续的修改源码.
因此在实际的开发过程中，提倡开闭原则：即为对扩展进行开发，对修改进行关闭。
#include
using namespace std;
//利用多态实现计算器
//实现计算器的抽象类
class AbstractCalculator
{//这个类什么都不写只写操作数
public:
virtual int getResult()//我们要实现多态是父类中有一个虚函数，子类区重写它
{
return 0;
}
int mNum1;
int mNum2;
};
//加法计算器的类
class AddCalculator:public AbstractCalculator
{
public:
int getResult()
{
return mNum1 + mNum2;
}
};
//减法计算器的类
class SubCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
int getResult()
{
return mNum1 - mNum2;
}
};
//乘法计算器的类
class MulCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
int getResult()
{
return mNum1 * mNum2;
}
};
void test02() {
//多态的使用条件：
//父类的指针或者引用指向子类的对象
//加法运算
AbstractCalculator* abc = new AddCalculator;//用父类的指针创建一个AddCalculator对象
abc->mNum1 = 10;
abc->mNum2 = 10;
cout << abc->mNum1 << "+" << abc->mNum2 << "=" << abc->getResult() << endl;
//加法用完记得销毁
delete abc;
//减法运算
abc = new SubCalculator;
abc->mNum1 = 10;
abc->mNum2 = 10;
cout << abc->mNum1 << "-" << abc->mNum2 << "=" << abc->getResult() << endl;
//减法用完记得销毁
delete abc;
//乘法运算
abc = new MulCalculator;
abc->mNum1 = 10;
abc->mNum2 = 10;
cout << abc->mNum1 << "*" << abc->mNum2 << "=" << abc->getResult() << endl;
//乘法用完记得销毁
delete abc;
}
void main()
{
//test01();
test02();
} 
利用多态来写计算器的实现，虽然代码量上去了，但是所有的功能都是在一个模块，假设一个功能出错，只需要看哪一个小模块即可，可读性很强。
5.纯虚函数和抽象类
5.1概述
在多态中，通常父类中虚函数的实现是毫无意义的，主要都是调用子类的重写内容，因此可以将虚函数改为纯虚函数。
5.2写法
纯虚函数的语法：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
5.3抽象类的特点
- 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
5.4多态案例2
5.4.1案例描述
制作饮品的大致流程：煮水-冲泡-倒入水杯-加入佐料
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
假如煮咖啡步骤：煮水-冲泡咖啡-倒入水杯-加糖和牛奶
冲茶步骤：煮水-冲泡茶叶-倒入杯中-加柠檬
#include
using namespace std;
//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;
//加入佐料
virtual void PutSomething() = 0;
//制作饮品
void makeDrink() //只要一调用就会走这四个步骤,然后会到子类中找具体的实现
{
Boil();
Brew();
PourInCup();
PutSomething();
}
};
//具体的制作
//制作咖啡
class Coffee :public AbstractDrinking {
public:
virtual void Boil() //煮水
{
cout << "煮农夫山泉" << endl;
}
virtual void Brew() //冲泡
{
cout << "冲泡咖啡" << endl;
}
virtual void PourInCup() //倒入杯中
{
cout << "倒入杯中" << endl;
}
virtual void PutSomething() //加入糖和牛奶
{
cout << "加入糖和牛奶" << endl;
}
};
class Tea :public AbstractDrinking {
public:
virtual void Boil() //煮水
{
cout << "煮矿泉水" << endl;
}
virtual void Brew() //冲泡
{
cout << "冲泡茶叶" << endl;
}
virtual void PourInCup() //倒入杯中
{
cout << "倒入杯中" << endl;
}
virtual void PutSomething() //加入柠檬
{
cout << "加入柠檬" << endl;
}
};
//饮品制作的函数
void dowork(AbstractDrinking *abs) //形参AbstractDrinking *abs，传入实参可以传入一个new一个咖啡
{
abs->makeDrink();
delete abs;//释放，因此在test01中我们需要手动在堆区开辟一个空间，所以用完需要释放
}
void test01()
{
//制作咖啡
dowork(new Coffee);//形参AbstractDrinking *abs，传入实参可以传入一个new一个咖啡
//制作茶叶
cout << "——————————————————————————" << endl;
dowork(new Tea);
}
void main()
{
test01();
} 
6.虚析构和纯虚析构
6.1概述
问题：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
6.2虚析构和纯虚析构
6.2.1虚析构和纯虚析构的共性
- 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
6.2.2虚析构和纯虚析构的区别
如果是纯虚析构，该类属于抽象类，无法实例化对象
6.2.3语法
虚析构语法：virtual ~类名（）{}
纯虚析构语法：virtual ~类名（）=0；
#include
using namespace std;
class Animal {
public:
Animal()
{
cout << "Animal的构造函数调用" << endl;
}
virtual ~Animal() //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
{
cout << "Animal的析构函数调用" << endl;
}
//纯虚函数
virtual void speak() = 0;
};
class Cat :public Animal
{
public:
Cat(string name)
{
mName = new string (name);//new一个string返回的是一个string的指针
}
virtual void speak()
{
cout << *mName << "小猫在说话" << endl;
}
~Cat()//释放mName
{
if (mName != NULL) {
cout << "Cat的析构函数调用" << endl;
delete mName;
mName = NULL;
}
}
string * mName;//小猫的名称不是简单的创建在栈上，而是给一个指针把名字创建在堆区上，有这个*mName指针去维护他
};
void test01()
{
Animal* animal = new Cat("Tom");
animal->speak();
delete animal;
}
void main()
{
test01();
} 
7.案例三
7.1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，并且提供给不同的厂商生产不同的零件，例如Inter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，测试时组装两台不同的电脑进行工作。
#include
using namespace std;
//抽象出不同零件的类
//抽线CPU的类
class CPU
{
public:
//抽象的计算函数
virtual void calculate() = 0;
};
//抽线显卡的类
class VideoCard
{
public:
//抽象的显示函数
virtual void display() = 0;
};
//抽线内存条的类
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()
{
//调用零件的接口让零件工作起来
m_cpu->calculate();
m_vc->display();
m_mem->storage();
}
//提供析构函数释放3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;//显卡零件指针
Memory* m_mem;//内存条零件指针
};
//具体的厂商
//Intel厂商
class IntelCPU :public CPU
{
public:
virtual void calculate()
{
cout << "IntelCPU开始计算" << 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 stoage()
{
cout << "Intel的内存条开始存储了" << endl;
}
};
//Lenovo厂商
class LenovoCPU :public CPU
{
public:
virtual void calculate()
{
cout << "LenovoCPU开始计算" << 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 stoage()
{
cout << "Lenovo的内存条开始存储了" << endl;
}
};
void test01()
{
//开始组装不同的电脑
//第一台电脑的零件，零件都是在堆区创建的，所以要进行释放
CPU* intelCpu = new IntelCPU;
VideoCard* intelCard = new IntelVideoCard;
Memory* intelMem = new IntelMemory;
创建一台电脑
Computer* computer1 = new Computer(IntelCPU, intelCard, intelMem);
computer1->work();
delete computer1;
//或者在电脑的类中提供一个析构函数释放电脑零件
//delete intelCpu;
//delete intelCard;
//delete intelMem;
//开始组装第二台电脑
Computer* computer2 = new Computer(new LenovoCPU, new LenovoCard, new LenovoMem);
computer1->work();
delete computer1;
}
void main()
{
test01();
}