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你还不进来看看C++类与对象【7】 —— 动态多态底层原理剖析&&（纯）虚析构解决父类指针不能释放子类属性问题嘛

2023-01-19 111
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简介： 你还不进来看看C++类与对象【7】 —— 动态多态底层原理剖析&&（纯）虚析构解决父类指针不能释放子类属性问题嘛

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（调用对象不同，可以以多种形态调用公共的接口） - 运行阶段确定函数地址

下面通过案例进行讲解多态：

//多态
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。
  virtual void speak()
  {
    cout << "动物在说话" << endl;
  }
};
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 << "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
//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、子类重写父类中的虚函数
//动态多态使用：
//父类指针或引用  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;
}

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

动态多态底层讲解

 动态多态底层剖析                                  — By CSDN 码雨

开发者工具验证：

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

普通写法：

//普通写法
#include<string>
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
    //若真是在开发中 提倡 开闭原则
    //开闭原则：对扩展进行开发，对修改进行关闭
  }
public:
  int m_Num1; //操作数1
  int m_Num2; //操作数2
};
void test01()
{
  //创建计算器对象
  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;
}
int main()
{
  test01();
  system("pause");
  return 0;
}

多态实现：

//实现计算器抽象类
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; //(把堆区数据给释放掉了)
  //减法运算
   abc = new SubCalculator;//指针的类型没有变，还是父类的指针，这里相当于父类的指针指向子类的对象。
  abc->m_Num1 = 30;
  abc->m_Num2 = 10;
  cout << abc->m_Num1 << "-" << abc->m_Num2 << "=" << abc->getResult() << endl;
  //用完后记得销毁
  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;
  //用完后记得销毁
  delete abc;
}
int main()
{
  test02();
  system("pause");
  return 0;
}

从上面看使用多态代码量变大了， 那么为什么还提倡这么写呢？

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

总结：

C++开发提倡利用多态设计程序架构，因为多态优点很多。

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：

//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;
  //加入辅料
  virtual void  PutSomething() = 0;
  //制作饮品
  void MakeDrink()
  {
    Boil();
    Brew();
    PourInCup();
    PutSomething();
  }
};
//制作coffee
class Coffee :public AbstractDrinking
{//烧水
  virtual void Boil() {
    cout << "煮水!" << 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
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) {  //AbstractDrinking*drink = new Coffee;（父类指针指向子类对象）
  drink->MakeDrink();             //相当于调用父类的makedrink中的四个函数
  delete drink;
}
void test01() {
  DoWork(new Coffee);
  cout << "---------------------------" << endl;
  DoWork(new Tea);
}
int main() {
  test01();
  system("pause");
  return 0;
}

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

这里没有走子类的析构代码。 父类指针在析构的时候，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。


解决方式：将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构


虚析构语法：

      virtual ~类名(){}

纯虚析构语法：

       virtual ~类名() = 0;

      类名::~类名(){}

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。


纯虚析构只有 = 0 ；一行，并没有代码实现的话，直接运行会报错（无法解析的外部命令）

纯虚析构必须实现的原因


我们分析一下可以知道，在前面写成虚析构的时候，“Animal析构函数调用”会打印，说明虚析构被调用了，so（纯）虚析构必须有函数的具体实现。为什么？ 因为如果父类中也有些数据开辟到堆区了，这些实现体就有用了。

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

示例：

//虚析构、纯虚析构
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
  //利用虚析构可以解决  父类指针释放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;//不实现会链接阶段报错
};
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 an;
  Animal* animal = new Cat("Tom");
  animal->Speak();
  //通过父类指针去释放，会导致子类对象可能清理不干净，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;
}

（纯）虚析构必须使用的情况总结：


子类中有些属性被开辟到堆区了，所以程序必须要走子类中的析构代码，如果使用多态是走不到的，所以我们才在父类中加上（纯）虚析构。使用（纯）虚析构，就是为了解决子类析构代码调用不到的问题。


  1. 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
  2. 如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构或纯虚析构
  3. 拥有纯虚析构函数的类也属于抽象

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：

//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;
    }
  }
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(三个零件在电脑类里面进行析构)
  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;
}
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C++多态
C++类
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