「地表最强」C++核心编程（十）类和对象--多态

环境：
编译器：CLion2021.3；操作系统：macOS Ventura 13.0.1

地表最强C++系列传送门：
「地表最强」C++核心编程（一）内存分区模型
「地表最强」C++核心编程（二）引用
「地表最强」C++核心编程（三）函数提高
「地表最强」C++核心编程（四）类和对象----封装
「地表最强」C++核心编程（五）类和对象----对象初始化和清理
「地表最强」C++核心编程（六）类和对象----对象模型和this指针
「地表最强」C++核心编程（七）类和对象----友元
「地表最强」C++核心编程（八）类和对象----运算符重载
「地表最强」C++核心编程（九）类和对象----继承
「地表最强」C++核心编程（十）类和对象----多态
「地表最强」C++核心编程（十一）文件操作

一、多态基本概念

多态是C++面向对象三大特性之一，它分为两类：

• 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

动态多态满足条件：

• 有继承关系
• 子类重写父类中的虚函数

class Animal {
public:
    //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。
    //加上virtual之后，这个类的大小变成了4个字节，这4个字节是一个虚函数（表）指针vfptr(virtual function pointer)，指向一个虚函数表vftable,表中记录了成员函数的地址
     virtual void speak() {//虚函数需要被子类重写
        cout << "动物在说话" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    //此处是重写而不是重载，virtual可加可不加
    //若不重写，会完全继承父类，那么子类的vftable中记录的地址也会是 &Anima::speak；
    //重写以后，子类的vftable中的记录会用重写的函数地址覆盖原地址，也就变成了 &Cat::speak;    此时调用他就发生了多态
    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，此时需要晚绑定
//如果函数地址在编译阶段就能确定，那么静态联编，是早绑定
//如果函数地址在运行阶段才能确定，就是动态联编，是晚绑定
void DoSpeak(Animal &animal) {//Animal& animal = cat;   父类引用可以指向子类
    animal.speak();
}

//动态多态满足条件：
//1、有继承关系
//2、子类重写父类中的虚函数     重写和重载不一样：重写要求函数返回值类型、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);//小猫在说话

    Dog dog;
    DoSpeak(dog);//小狗在说话
}

二、纯虚函数和抽象类

在多态中，通常父类中虚函数都是要被子类重写的，因此实现父类的虚函数是毫无意义的，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

class Base
{
public:
    virtual void func() = 0;
};

class Son :public Base
{
public:
    virtual void func()//子类必须重写父类的纯虚函数，否则也是抽象类，无法实例化
    {
        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();//func调用
    delete base;//记得销毁
}

三、虚析构和纯虚析构

在使用多态时，父类的指针指向子类，但是在析构的时候，父类指针无法调用子类的析构函数。如果子类中有属性开辟到堆区，那么就导致这些空间无法释放而造成内存泄漏。解决方式就是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：

• 有纯虚析构的类属于抽象类，无法实例化对象
• 只有虚析构的类仍可以实例化对象

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

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
    //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，这一点和纯虚函数不一样（纯虚函数不需要实现）。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。
    virtual ~Animal() = 0;
};

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

class Cat : public Animal {
public:
    string *m_Name;

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;
        }
    }
};

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的析构函数。若子类有堆区属性，则无法释放而出现内存泄漏
    //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;
}

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

四、计算机类案例

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;
    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，delete释放了abc所指向的空间并不是把abc销毁了

    //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;
}

10 + 10 = 20
10 - 10 = 0
10 * 10 = 100

五、制作饮品案例

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() {
        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);
}

煮农夫山泉!
冲泡咖啡!
将咖啡倒入杯中!
加入牛奶!
--------------
煮自来水!
冲泡茶叶!
将茶水倒入杯中!
加入枸杞!

六、电脑组装案例

//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 {

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

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;
        }

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

//具体厂商
//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;
    }
};

//Lenovo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;
    }
};


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

    cout << "第一台电脑开始工作：" << endl;
    //创建第一台电脑
    Computer *computer1 = new Computer(intelCpu, intelCard, intelMem);
    computer1->work();
    delete computer1;

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

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

第一台电脑开始工作：
Intel的CPU开始计算了！
Intel的显卡开始显示了！
Intel的内存条开始存储了！
-----------------------
第二台电脑开始工作：
Lenovo的CPU开始计算了！
Lenovo的显卡开始显示了！
Lenovo的内存条开始存储了！
-----------------------
第三台电脑开始工作：
Lenovo的CPU开始计算了！
Intel的显卡开始显示了！
Lenovo的内存条开始存储了！