C++ 类和对象--多态

4.7 多态

4.7.1 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;

// 多态

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

// 猫类
class Cat : public Animal
{
public:
	// 重写  函数返回值类型  函数名 函数列表 完全相同
	virtual void speak()
	{
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};

// 狗类
class Dog : public Animal
{
public:
	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，需要在运行阶段绑定，地址晚绑定

// 动态多态满足条件
// 1、有继承关系
// 2、子类重写父类的虚函数

// 动态多态使用
// 父类的指针或者引用 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

4.7.2 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

示例：

 #include <iostream>
using namespace std;

// 分别利用普通写法和多态技术实现计算器

// 普通写法
class Calculator
{
public:

	int getResult(string oper)
	{
		if (oper == "+")
		{
			return m_Numl + m_Num2;
		}
		else if (oper == "-")
		{
			return m_Numl - m_Num2;
		}
		else if (oper == "*")
		{
			return m_Numl * m_Num2;
		}
		else
		{
			return m_Numl / m_Num2;
		}
		// 如果想扩展新的功能，需求改源码
		// 在真实开发中  提倡  开闭原则
		// 开闭原则：对扩展进行开放，对修改进行关闭 
	}
	int m_Numl; // 操作数1
	int m_Num2; // 操作数2

};

void test01()
{
	// 创建计算器对象
	Calculator c;
	c.m_Numl = 10;
	c.m_Num2 = 10;

	cout << c.m_Numl << " + " << c.m_Num2 << " = " << c.getResult("+") << endl;
	cout << c.m_Numl << " - " << c.m_Num2 << " = " << c.getResult("-") << endl;
	cout << c.m_Numl << " * " << c.m_Num2 << " = " << c.getResult("*") << endl;
	cout << c.m_Numl << " / " << c.m_Num2 << " = " << c.getResult("/") << endl;

}

// 利用多态实现计算器

// 实现计算器抽象类
// 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


// 实现计算器抽象类
class AbstractCalculator
{
public:

	virtual int getResult()
	{
		return 0;
	}

	int m_Num1;
	int m_Num2;
};

// 加法运算器类
class AddCalculator : public AbstractCalculator
{
public:
	int getResult()
	{
		return m_Num1 + m_Num2;
	}
};

// 减法运算器类
class SubCalculator : public AbstractCalculator
{
public:
	int getResult()
	{
		return m_Num1 - m_Num2;
	}
};

// 乘法法运算器类
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;

	// 减法运算
	abc = new SubCalculator;
	abc->m_Num1 = 100;
	abc->m_Num2 = 20;
	cout << abc->m_Num1 << " - " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
	// 用完后记得销毁
	delete abc;

	// 乘法法运算
	abc = new MulCalculator;
	abc->m_Num1 = 100;
	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()
{

	// test01();

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

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

4.7.3 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：

#include <iostream>
using namespace std;

// 纯虚函数和抽象类
class Base
{
public:

	// 纯虚函数
	// 只要有一个纯虚函数，这个类称为抽象类
	// 抽象类特点：
	// 1、无法实例化对象
	// 2、抽象类的子类  必须要重新父类中纯虚函数，否则也属于抽象类
	virtual void func() = 0;
};

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

};

void test01()
{
	// Base b; // 抽象类无法实例化对象
	// new Base; // 抽象类无法实例化对象

	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* base = new Son;
	base->func();
	// 记得销毁
	delete base;
}

int main()
{

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

4.7.4 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：

#include <iostream>
using namespace std;

// 多态案例2 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();
	}
};

// 制作咖啡
class Coffee : public AbstractDrinking
{
	// 煮水
	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 << "倒入杯中" << endl;
	}

	// 加入辅料
	virtual void PutSomething()
	{
		cout << "加入糖和牛奶" << endl;
	}
};

// 制作茶叶
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 PutSomething()
	{
		cout << "加入枸杞" << endl;
	}
};

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

void test01()
{
	// 制作咖啡
	doWork(new Coffee);

	cout << "-----------------------" << endl;
	// 制作茶叶
	doWork(new Tea);
}

int main()
{

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

4.7.5 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() = 0;

类名::~类名(){}

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 虚析构和纯虚析构

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 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;

	// 纯虚函数
	virtual void speak() = 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);
	}

	~Cat()
	{
		if (m_Name != NULL)
		{
			cout << "Cat 析构函数调用" << endl;
			delete m_Name;
			m_Name = NULL;
		}
	}

	virtual void speak()
	{
		cout << *m_Name << "小猫在说话" << endl;
	}

	string* m_Name;

};

void test01()
{
	Animal* animal = new Cat("Tom");
	animal->speak();
	// 父类指针在析构时候 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
	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类

4.7.6 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：

#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 VideCard
{
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 Conputer
{
public:
	Conputer(CPU* cpu, VideCard* vc, Memory* men)
	{
		this->cpu = cpu;
		this->vc = vc;
		this->men = men;
	}

	// 提供工作函数
	void work()
	{
		// 让零件工作起来，调用接口
		cpu->calculate();

		vc->display();

		men->storage();
	}

	// 提供析构函数 释放 3 个电脑零件
	~Conputer()
	{
		// 释放 cpu
		if (cpu != NULL)
		{
			delete cpu;
			cpu = NULL;
		}
		// 实现显卡
		if (vc != NULL)
		{
			delete vc;
			vc = NULL;
		}
		// 实现内存条
		if (men != NULL)
		{
			delete men;
			men = NULL;
		}
	}
private:

	CPU* cpu; // CPU的零件指针
	VideCard* vc; // 显卡零件指针
	Memory* men; // 内存条零件指针
};

// Inter 厂商
class InterCpu : public CPU
{
public:
	virtual void calculate()
	{
		cout << "Inter 的 Cpu开始计算了！" << endl;
	}
};

class InterVideCard : public VideCard
{
public:
	virtual void display()
	{
		cout << "Inter 的显卡开始显示了！" << endl;
	}
};

class InterMemory : public Memory
{
public:
	virtual void storage()
	{
		cout << "Inter 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 LenovoVideCard : public VideCard
{
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()
{
	// 第一台的电脑零件
	cout << "第一台电脑开始工作" << endl;
	CPU* interCpu = new InterCpu;
	VideCard* interVc = new InterVideCard;
	Memory* interMen = new InterMemory;

	Conputer* compute1 = new Conputer(interCpu, interVc, interMen);
	compute1->work();
	delete compute1;

	cout << "-----------------------------------" << endl;

	cout << "第二台电脑开始工作" << endl;
	// 第二台电脑组装
	Conputer* compute2 = new Conputer(new LenovoCpu, new LenovoVideCard, new LenovoMemory);
	compute2->work();
	delete compute2;

	cout << "-----------------------------------" << endl;

	cout << "第三台电脑开始工作" << endl;
	// 第三台电脑组装
	Conputer* compute3 = new Conputer(new InterCpu, new LenovoVideCard, new LenovoMemory);
	compute3->work();
	delete compute3;
}

int main()
{

	test01();


	system("pause");

	return 0;
}
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