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类和对象-多态

2023-02-21 78
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简介： 类和对象-多态

多态的基本语法

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

动态多态满足条件：

  • 有继承关系
  • 子类要重写父类的虚函数
  • 使用父类的指针或引用，执行子类对象

重写不同于函数重载：

  • 函数返回值类型、函数名、参数列表完全相同

C++中父子之间的类型转换不需要做强制类型转换，父类的指针或引用可以直接指向子类对象

class A
{
public:
    //虚函数
    virtual void test()
    {
        cout << "A" << endl;
    }
};
class B :public A
{
public:
    void test()
    {
        cout << "B" << endl;
    }
};
void test(A& a)
{
    a.test();
}
int main()
{
    B b;
    test(b);//A & a = b;
    return 0;
}

多态的原理剖析

class A size(8):
        +---
 0      | {vfptr}
        +---

A::$vftable@:
        | &A_meta
        |  0
 0      | &A::test
class B size(8):
        +---
 0      | +--- (base class A)
 0      | | {vfptr}
        | +---
        +---

B::$vftable@:
        | &B_meta
        |  0
 0      | &B::test

vfptr虚函数（表）指针：

  • v-virtual
  • f-function
  • ptr-pointer

  • 指向vftable虚函数表

    • 表内记录虚函数地址&A::test

当子类重写父类虚函数，子类中的虚函数表，内部会替换成子类的虚函数地址

多态案例-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和维护

在真实开发中，提倡开闭原则：

  • 对拓展进行开放
  • 对修改进行关闭
#include <iostream>
using namespace std;
//实现计算器抽象类
class Abstract
{
public:
    virtual int result()
    {
        return 0;
    }
    int m_num1;
    int m_num2;
};
//实现计算器加法类
class add :public Abstract
{
public:
    virtual int result()
    {
        return m_num1 + m_num2;
    }
};
//实现减法类
class subtraction :public Abstract
{
public:
    virtual int result()
    {
        return m_num1 - m_num2;
    }
};
int main()
{
    //父类指针指向子类对象
    Abstract* a = new add;
    a->m_num1 = 10;
    a->m_num2 = 10;
    cout << a->result() << endl;
    //用完记得销毁
    delete a;
    //a不需要再定义和初始化
    a = new subtraction;
    a->m_num1 = 10;
    a->m_num2 = 10;
    cout << a->result() << endl;
    return 0;
}

纯虚函数和抽象类

在多态中，通常父类中的虚函数实现是毫无意义的，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，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

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
#include <iostream>
using namespace std;
class AbstractDrinking
{
public:
    virtual void Boil() = 0;//煮水
    virtual void Brew() = 0;//冲泡
    virtual void PourInCup() = 0;//倒入杯中
    virtual void PutSomeThing() = 0;//添加佐料
    void MakeDrink()//制作饮品
    {
        Boil();
        Brew();
        PourInCup();
        PutSomeThing();
    }
    
};
class Coffee :public AbstractDrinking
{
    virtual void Boil()
    {
        cout << "煮矿泉水" << endl;
    }
    virtual void Brew()
    {
        cout << "冲泡咖啡" << endl;
    }
    virtual void PourInCup()
    {
        cout << "倒入杯中" << endl;
    }
    virtual void PutSomeThing()
    {
        cout << "添加牛奶" << endl;
    }
};
class Tea :public AbstractDrinking
{
    virtual void Boil()
    {
        cout << "煮矿泉水" << endl;
    }
    virtual void Brew()
    {
        cout << "冲泡茶叶" << endl;
    }
    virtual void PourInCup()
    {
        cout << "倒入杯中" << endl;
    }
    virtual void PutSomeThing()
    {
        cout << "添加枸杞" << endl;
    }
};
void dowork(AbstractDrinking *a)
{
    a->MakeDrink();
    delete a;
}
int main()
{
    AbstractDrinking* a = new Tea;
    dowork(a);
    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
解决方法：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，该类属于抽象类，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;
总结：

  • 虚析构和纯虚析构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，可以不写为虚析构和纯虚析构
  • 拥有纯虚析构的类也属于抽象类
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    A()
    {
        m_name = new string("A");
    }
    virtual void speak()
    {
        cout << *m_name << 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 ~A()
    {
        if (m_name != NULL)
        {
            cout << "A析构" << endl;
            delete m_name;
            m_name = NULL;
        }
    }
    string* m_name;
};
class B :public A
{
public:
    B()
    {
        m_name = new string("B");
    }
    virtual ~B()
    {
        if (m_name != NULL)
        {
            cout << "B析构" << endl;
            delete m_name;
            m_name = NULL;
        }
    }
};
int main()
{
    A* a = new B;//先构造父类再构造子类
    a->speak();
    //父类指针在析构时，不会调用子类中析构函数，导致子类如果有堆区属性，会导致内存泄露
    delete a;
    return 0;
}
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    A()
    {
        m_name = new string("A");
    }
    virtual void speak()
    {
        cout << *m_name << endl;
    }
    //纯虚析构声明
    //有了纯虚析构后，这个类也属于抽象类，无法实例化对象
    virtual ~A() = 0;
    string* m_name;
};
class B :public A
{
public:
    B()
    {
        m_name = new string("B");
    }
    virtual ~B()
    {
        if (m_name != NULL)
        {
            cout << "B析构" << endl;
            delete m_name;
            m_name = NULL;
        }
    }
};
//纯虚析构实现
A::~A()
{
    cout << "A纯虚析构" << endl;
}
int main()
{
    A* a = new B;//先构造父类再构造子类
    a->speak();
    //父类指针在析构时，不会调用子类中析构函数，导致子类如果有堆区属性，会导致内存泄露
    delete a;
    return 0;
}

多态案例-电脑组装

案例描述：

  • 电脑主要组成部件为CPU、显卡、内存条
  • 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
  • 创建电脑类提供让电脑工作的函数，并且调用每个函数工作的接口
  • 测试时组装三台不同的电脑进行工作
#include <iostream>
using namespace std;
//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 dispaly() = 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;
    }
    //提供析构函数，释放电脑的三个零件
    ~Computer()
    {
        if (m_cpu != NULL)
        {
            delete m_cpu;
            m_cpu = NULL;
        }
        if (m_vc != NULL)
        {
            delete m_cpu;
            m_vc = NULL;
        }
        if (m_mem != NULL)
        {
            delete m_cpu;
            m_mem = NULL;
        }
    }
    //提供工作函数
    void work()
    {
        //让零件工作起来，调用接口
        m_cpu->calculate();
        m_vc->dispaly();
        m_mem->storage();
    }
private:
    CPU* m_cpu;//CPU的零件指针
    VideoCard* m_vc;//显卡的零件指针
    Memory* m_mem;//内存条的零件指针
};
//具体厂商：Intel
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 dispaly()
    {
        cout << "Intel的显卡开始显示了" << endl;
    }
};
class IntelMemory :public Memory
{
public:
    virtual void storage()
    {
        cout << "Intel的内存开始存储了" << endl;
    }
};
//具体厂商：Lenovo
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 dispaly()
    {
        cout << "Lenovo的显卡开始显示了" << endl;
    }
};
class LenovoMemory :public Memory
{
public:
    virtual void storage()
    {
        cout << "Lenovo的内存开始存储了" << endl;
    }
};
int main()
{
    //电脑零件
    CPU* intelcpu = new IntelCPU;
    VideoCard* intervc = new IntelVideoCard;
    Memory* intermem = new IntelMemory;
    //创建第一台电脑
    Computer* computer1 = new Computer(intelcpu, intervc, intermem);
    computer1->work();
    delete computer1;
    //创建第二台电脑
    Computer* computer2 = new Computer(new LenovoCPU, new LenovoVideoCard, new LenovoMemory);
    computer2->work();
    delete computer2;
    //创建第三台电脑
    Computer* computer3 = new Computer(new LenovoCPU, new IntelVideoCard, new LenovoMemory);
    computer3->work();
    delete computer3;
    return 0;
}
文章标签：
C++
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