面向对象-多态
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
不使用虚函数virtual
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
void speak() {
cout << "动物在说话" << endl;
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void speak() {
cout << "小猫在说话" << endl;
}
};
void DoSpeak(Animal &animal) {
animal.speak();
}
int main() {
Cat cat;
DoSpeak(cat); // 动物在说话
return 0;
}使用虚函数virtual
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
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:
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.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
//多态使用：
//父类指针或引用指向子类对象
int main() {
Cat cat;
DoSpeak(cat); // 小猫在说话
Dog dog;
DoSpeak(dog); // 小狗在说话
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
原理：
vfptr 虚函数指针
- v virtual
- f function
- ptr pointer
vftable 虚函数表
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
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
示例：
1、普通实现
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
//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
}
public:
int m_Num1;
int m_Num2;
};
int main() {
//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;
return 0;
}2、多态实现
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
//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;
}
};
int main() {
//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
//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;
return 0;
}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
示例：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
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;
};
};
int main() {
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
return 0;
}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：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
// 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() {
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;
}
int main() {
DoWork(new Coffee);
cout << "--------------" << endl;
DoWork(new Tea);
return 0;
}输出
bash
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!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，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：
cpp
virtual ~类名() = 0;
类名::~类名(){}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
示例：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
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;
//}
// 纯虚析构函数
// 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:
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;
};
int main() {
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;
return 0;
}输出
bash
Animal 构造函数调用！
Cat构造函数调用！
Tom小猫在说话!
Cat析构函数调用!
Animal 纯虚析构函数调用！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：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
//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;
}
};
int main() {
//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;
return 0;
}输出
bash
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！