C++: 多态

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：

//多态

//动物类

class Animal
{
public:
    //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;
    }
};

//猫类
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;
    }
};

//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 编译阶段就能确定函数地址
//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

//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：

1 有继承关系

2 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

多态的原理刨析：

不加virtual关键字：

加virtual关键字：

为什么加上 virtual关键字之后会变成四个字节？（指针）vfptr

写了一个虚函数，类的内部结构发生改变，多了一个指针（虚函数表指针），指向虚函数表，虚函数表的内部写的是虚函数的函数入口地址，当子类重写了虚函数，会把自身的虚函数表中的函数替换掉，替换成子类的虚函数，当用父类的引用去指向子类对象的时候，会从子类对象找函数接口入口地址。

两个类的内部结构如图如下：

验证：

不加virtual关键字：

加virtual关键字：

当子类没有发生重写的时候：

当子类发生重写的时候：

多态案例

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

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


//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


//普通写法：


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
        //在真是开发中 提倡 开闭原则
        //开闭原则:对扩展进行开发，对修改进行关闭
    }
    int m_Num1;
    int m_Num2;
};


void test01()
{
    //创建计算器的对象
    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;
}

//多态实现
// 多态优点：
// 1、代码组织结构清晰，
// 2、可读性强，
// 3、利于前期和后期的扩展以及维护
//实现抽象计算器类

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;
    }
};

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 = 100;
    abc->m_Num2 = 100;

    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 = 100;
    abc->m_Num2 = 100;
    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 = 100;
    abc->m_Num2 = 100;
    cout << abc->m_Num1 << " * " << abc->m_Num2 << " = " << abc -> getResult() << endl;
    delete abc;
}

int main() 
{
    //test01();

    test02();
    system("pause");
    return 0;
}

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 ：

1 无法实例化对象

2 子类必须重写抽象类中的纯虚函数，否则也属于抽象类

示例如下：


class Base
{
public:
    //纯虚函数
    //类中只要有一个纯虚函数就称为抽象类
    //1 抽象类无法实例化对象
    //2 抽象类的子类 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函数的调用" << endl;
    };
};

void test01()
{
    /*Base b;     //错误，抽象类无法实例化对象
    new Base;*/   //错误，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;   //父类的指针或者引用指向子类对象
    base->func();
}




int main() 
{
    test01();

    system("pause");
    return 0;
}

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

//抽象制作饮品
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;

    //规定流程（制作流程）
    void makeDrink() {
        Boil();
        Brew();
        PourInCup();
        PutSomething();
    }
};

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

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




//制作茶叶
class Tea :public AbstractDrinking
{
public:
    //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 << "将茶叶倒入杯中!" << endl;
    }

    //加入辅料
    virtual void PutSomething()
    {
        cout << "加入枸杞!" << endl;
    }
};

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

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

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;
#include <string>
//虚析构和纯虚析构

class Animal
{
public:
    Animal()
    {
        cout << "Animal 构造函数调用！" << endl;
    }
    //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 需要声明也需要实现
    //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;

    //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);      //堆区
      
    }

    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;
        }
    }
    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

//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;
}

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

//多态案例三 - 电脑组装



//抽象CPU类
class CPU {
public:
    //抽象的计算函数
    virtual void calculate() = 0;   //纯虚函数
};

//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 InterCPU :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
    CPU* intelCpu = new InterCPU;
    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;
}