C++学习（14）—— 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

#include<iostream>
using namespace std;

//动物类
class Animal
public:
   virtual void speak(){
        cout << "动物在说话" << endl;
   }
};

class Cat : public Animal{
    //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{
    void speak(){
        cout << "小狗在说话" << endl;
   }
};

//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，地址晚绑定

void doSpeak(Animal &animal){  //Animal &animal = cat;
    animal.speak();
}

void test01(){
    Cat cat;
    Dog dog;
    doSpeak(cat);
    doSpeak(dog);
}

int main(){
    test01();
    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

多态的原理剖析：

• 未添加virtual关键字之前的Animal类（父类）

• 未重写之前的Cat类（子类）

• 重写之后的Cat类（子类）

 

2.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以及维护

#include<iostream>
using namespace std;

class AbstractCalculator {
public:
    virtual int getResult() {
        return 0;
    }
    int num_1;
    int num_2;
};

class Add : public AbstractCalculator {
public:
    int getResult() {
        return num_1 + num_2;
    }
};

class Sub : public AbstractCalculator {
public:
    int getResult() {
        return num_1 - num_2;
    }
};

class Mul : public AbstractCalculator {
public:
    int getResult() {
        return num_1 * num_2;
    }
};

void test01() {
    AbstractCalculator *abc = new Add();
    abc->num_1 = 10;
    abc->num_2 = 10;
    cout << abc->num_1 << "+" << abc->num_2 << "=" << abc->getResult() << endl;
    delete abc;

    abc = new Sub();
    abc->num_1 = 10;
    abc->num_2 = 10;
    cout << abc->num_1 << "-" << abc->num_2 << "=" << abc->getResult() << endl;
    delete abc;
}

int main() {
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

总结：C++开发提倡利用多态设计程序结构，因为多态优点很多

 

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，这个类也成为抽象类

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

#include<iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    //纯虚函数
    //只要有一个纯虚函数，这个类称为抽象类
    virtual void func() = 0;
};

class Son : public Base {
public:
    void func() {
        cout << "func函数调用" << endl;
    }
};

void test01() {
    //Son s;  //子类必须重写父类中的纯虚函数，否则无法实例化对象
    Base *s = new Son;
    s->func();
}

int main() {
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

 

4.多态案例——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

#include<iostream>
using namespace std;

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 PutSmething() = 0;
    //制作饮品
    void makeDrink() {
        Boil();
        Brew();
        PourInCup();
        PutSmething();
    }
};

class Coffee : public AbstractDrinking {
    //煮水
    virtual void Boil() {
        cout << "煮纯净水" << endl;
    }
    //冲泡
    virtual void Brew() {
        cout << "冲泡咖啡" << endl;
    }
    //倒入杯中
    virtual void PourInCup() {
        cout << "倒入杯中" << endl;
    }
    //加入辅料
    virtual void PutSmething() {
        cout << "加入牛奶" << endl;
    }
};

class Tea : public AbstractDrinking {
    //煮水
    virtual void Boil() {
        cout << "煮矿泉水" << endl;
    }
    //冲泡
    virtual void Brew() {
        cout << "冲泡茶叶" << endl;
    }
    //倒入杯中
    virtual void PourInCup() {
        cout << "倒入杯中" << endl;
    }
    //加入辅料
    virtual void PutSmething() {
        cout << "加入枸杞" << endl;
    }
};

void doWork(AbstractDrinking *abs) {
    abs->makeDrink();
    delete abs;
}

void test01() {
    doWork(new Coffee);
    cout << "--------------------" << endl;
    doWork(new Tea);
}

int main() {
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

 

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：

virtual ~类名(){}

类名::~类名(){}

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class Animal {
public:
    Animal() {
        cout << "Animal构造函数调用" << 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 ~Animal() {
    //  cout << "Animal析构函数调用" << endl;
    //}
    //纯虚析构
    //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;
    virtual void speak() = 0;
};

//纯虚析构需要声明，也需要实现
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 << " Cat is speaking" << endl;
    }
    ~Cat() {
        if (m_Name != NULL) {
            cout << "Cat析构函数调用" << endl;
            delete m_Name;
            m_Name = NULL;
        }
    }
    string *m_Name;
};

void test01() {
    //父类指针指向子类对象
    Animal *animal = new Cat("Tom");
    animal->speak();
    //父类指针在析构时不会调用子类中的析构函数，导致子类如果有堆区属性会导致内存泄漏
    delete animal;
}

int main() {
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}

总结：

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，可以不写虚析构或纯虚析构
3. 拥有纯虚析构函数的类也属于抽象类

 

6.多态案例——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结构

测试时组装三台不同的电脑进行工作

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class CPU {
public:
    virtual void calculate() = 0;
};

class VideoCard {
public:
    virtual void display() = 0;
};

class Memory {
public:
    virtual void storage() = 0;
};

class Computer {
public:
    Computer(CPU *cpu, VideoCard *vc, Memory *mem) {
        m_cpu = cpu;
        m_vc = vc;
        m_mem = mem;
    }
    void work() {
        m_cpu->calculate();
        m_vc->display();
        m_mem->storage();
    }
    ~Computer() {
        if (m_cpu != NULL) {
            delete m_cpu;
            m_cpu = NULL;
        }
        if (m_vc != NULL) {
            delete m_vc;
            m_vc = NULL;
        }
        if (m_mem != NULL) {
            delete m_mem;
            m_mem = NULL;
        }
    }
private:
    CPU *m_cpu;
    VideoCard *m_vc;
    Memory *m_mem;
};

class intelCPU : public CPU {
    virtual void calculate() {
        cout << "intel的CPU开始计算了！" << endl;
    }
};

class intelVideoCard : public VideoCard {
    virtual void display() {
        cout << "intel的显卡开始显示了！" << endl;
    }
};

class intelMemory : public Memory {
    virtual void storage() {
        cout << "intel的内存条开始存储了！" << endl;
    }
};

class lenovoCPU : public CPU {
    virtual void calculate() {
        cout << "lenovo的CPU开始计算了！" << endl;
    }
};

class lenovoVideoCard : public VideoCard {
    virtual void display() {
        cout << "lenovo的显卡开始显示了！" << endl;
    }
};

class lenovoMemory : public Memory {
    virtual void storage() {
        cout << "lenovo的内存条开始存储了！" << endl;
    }
};

void test01() {

    cout << "第一台电脑开始工作" << endl;
    CPU *intelCpu = new intelCPU;
    VideoCard *intelCard = new intelVideoCard;
    Memory *intelMem = new intelMemory;

    Computer *computer1 = new Computer(intelCpu, intelCard, intelMem);
    computer1->work();
    delete computer1;

    cout << "--------------------" << endl;
    cout << "第二台电脑开始工作" << endl;
    Computer *computer2 = new Computer(new lenovoCPU, new lenovoVideoCard, new lenovoMemory);
    computer2->work();
    delete computer2;
}

int main() {
    test01();
    system("pause");
    return 0;
}