C++核心编程之类和对象---C++面向对象的三大特性--多态

一、多态

1. 多态的概念

2.多态的分类：

1. 静态多态：

2. 动态多态：

3.静态多态和动态多态的区别：

4.动态多态需要满足的条件：

4.1重写的概念：

4.2动态多态的调用：

二、多态

三、多态的深入剖析

四、利用多态写一个模拟计算器案例

1.普通方式写一个模拟计算器

2.利用多态的方式写一个计算器

五、纯虚函数和抽象类

抽象类特点：

六、利用多态的抽象类写一个饮品制作流程的案例

七、纯析构和纯虚析构

虚析构和纯虚析构的共性：

虚析构和纯虚析构的区别：

总结：

八、利用多态写一个组装电脑的案例

一、多态

1. 多态的概念

计算机程序运行时，相同的消息可能会送给多个不同的类别之对象，而系统可依据对象所属类别，引发对应类别的方法，而有不同的行为。简单来说，所谓多态意指相同的消息给予不同的对象会引发不同的动作。

多态也可定义为“一种将不同的特殊行为和单个泛化记号相关联的能力”。

多态可分为变量多态与函数多态。变量多态是指：基类型的变量（对于C++是引用或指针）可以被赋值基类型对象，也可以被赋值派生类型的对象。函数多态是指，相同的函数调用界面（函数名与实参表），传送给一个对象变量，可以有不同的行为，这视该对象变量所指向的对象类型而定。因此，变量多态是函数多态的基础。

多态是c++面向对象的三大特性之一

2.多态的分类：

1. 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

静态多态（static polymorphism）：模板也允许将不同的特殊行为和单个泛化记号相关联，由于这种关联处理于编译期而非运行期，因此被称为“静态”。可以用来实现类型安全、运行高效的同质对象集合操作。C++STL不采用动态多态来实现就是个例子。

函数重载（Function Overloading）
运算符重载（Operator Overloading）
带变量的宏多态（macro polymorphism）
非参数化多态或译作特设多态（Ad-hoc polymorphism）：
参数化多态（Parametric polymorphism）：把类型作为参数的多态。在面向对象程序设计中，这被称作泛型编程。

2. 动态多态：

派生类和虚函数实现运行时多态

动态多态（dynamic polymorphism）:通过类继承机制和虚函数机制生效于运行期。可以优雅地处理异质对象集合，只要其共同的基类定义了虚函数的接口。也被称为子类型多态（Subtype polymorphism）或包含多态（inclusion polymorphism）。在面向对象程序设计中，这被直接称为多态。

对于C++语言，带变量的宏和函数重载（function overload）机制也允许将不同的特殊行为和单个泛化记号相关联。然而，习惯上并不将这种函数多态（function polymorphism）、宏多态（macro polymorphism）展现出来的行为称为多态（或静态多态），否则就连C语言也具有宏多态了。谈及多态时，默认就是指动态多态，而静态多态则是指基于模板的多态。

3.静态多态和动态多态的区别：

1. 静态多态的函数地址早绑定，编译阶段确定函数地址

2. 动态多态的函数地址晚绑定，运行阶段确定函数地址

4.动态多态需要满足的条件：

1.有继承关系

2.子类中重写父类的虚函数（子类中写不写virtual都可以）

4.1重写的概念：

函数返回值类型函数名参数列表都完全相同。

注意：与函数重载要区分。

4.2动态多态的调用：

父类的指针或引用执行子类对象

二、多态

示例：

#include<iostream>

using namespace std;

// 多态

 

// 动态多态的满足条件

// 1. 有继承关系

// 2. 子类要重写父类的虚函数

 

// 动态多态的使用

// 父类的指针或引用  指向子类对象

 

// 动物类

class Animal

{

public:

    // 虚函数

    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 参数列表要   完全相同

    void speak()

    {

        cout<<"猫在说话"<<endl;

    }

};

 

// 狗类

class Dog:public Animal

{

public:

    void speak()

    {

        cout<<"狗在说话"<<endl;

    }

};

 

// 执行说话的函数

void dospeak(Animal &animal) // Animal & animal  =  cat;

{

    // 地址早绑定  在编译阶段确定函数地址

 

    // 如果要执行猫说话，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

    animal.speak();

}

 

// c++允许父类和子类的转化

void test01()

{

    Cat cat;

    // cat.speak();

    dospeak(cat);  // 父类的引用，接收的是子类的对象

 

    Dog dog;

    dospeak(dog);

}

 

int main()

{

    test01();

    return 0;

}

没写 virtual 之前是地址早绑定

写入虚函数后，地址晚绑定运行结果：

三、多态的深入剖析

图解示例：

示例：

#include<iostream>

using namespace std;

// 多态的底层逻辑



// 动物类

class Animal

{

public:

    // 虚函数

    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 参数列表要   完全相同

    void speak()

    {

        cout << "猫在说话" << endl;

    }

};



// 狗类

class Dog :public Animal

{

public:

    void speak()

    {

        cout << "狗在说话" << endl;

    }

};



// 执行说话的函数

void dospeak(Animal& animal)

{

    // 地址早绑定  在编译阶段确定函数地址

    // 如果要执行猫说话，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

    animal.speak();

}



// c++允许父类和子类的转化

void test01()

{

    Cat cat;

    // cat.speak();

    dospeak(cat);  // 父类的引用，接收的是子类的对象



    Dog dog;

    dospeak(dog);

}



void test02()

{

        cout << "Animal 类的大小:" << sizeof(Animal) << endl;

}

int main()

{

    test01();

    test02();

    return 0;

}

通过命令提示符查看

加入虚函数后

子类在没有重写的时候

子类重写虚函数后

没加virtual的类的大小，相当于空类，大小是1

变为虚函数后的类的大小为8/4（看你的编译器是多少位的），类的大小是一个指针的大小

关于命令提示符查看类可查询上一篇文章：命令提示符查看类

四、利用多态写一个模拟计算器案例

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及维护

1.普通方式写一个模拟计算器

示例1：

#include<iostream>

using namespace std;

// 分别利用普通写法和多态的技术实现计算器的功能

 

// 普通的写法

class Calculator

{

public:

    int get_result(string oper)

    {

        if(oper == "+")

            return m_num1+m_num2;

        if(oper == "-")

            return m_num1 - m_num2;

        if(oper == "*")

            return m_num1 * m_num2;

        if(oper == "/")

            return m_num1 / m_num2;

    }

    int m_num1;

    int m_num2;

};

void test01()

{

    Calculator c;

    c.m_num1 = 40;
    
    c.m_num2 = 20;

 

    // 开闭原则，对扩展进行开放，对修改进行关闭

 

    cout<<c.m_num1<<" + "<<c.m_num2<<" = "<<c.get_result("+")<<endl;

    cout<<c.m_num1<<" - "<<c.m_num2<<" = "<<c.get_result("-")<<endl;

    cout<<c.m_num1<<" * "<<c.m_num2<<" = "<<c.get_result("*")<<endl;

    cout<<c.m_num1<<" / "<<c.m_num2<<" = "<<c.get_result("/")<<endl;

}

int main()

{

    test01();

    return 0;

}

运行结果：

2.利用多态的方式写一个计算器

示例2：

#include<iostream>

using namespace std;

// 利用多态实现计算器

class Abstract_Calculator

{

public:

    virtual int get_result()

    {

        return 0;

    }
    
    int num1;

    int num2;

};

 

// 设计一个加法计算器的类

class Add_Calculator:public Abstract_Calculator

{

public:

    int get_result()

    {

        return num1+num2;

    }

};

// 设计一个减法计算器的类

class Sub_Calculator:public Abstract_Calculator

{

public:

    int get_result()

    {

        return num1-num2;

    }

};

// 设计一个乘法计算器的类

class Mul_Calculator:public Abstract_Calculator

{

public:

    int get_result()

    {

        return num1*num2;

    }

};

 

void test02()

{

    // 多态的使用条件

    // 父类的指针或引用指向子类对象

    // 加法运算
        
    Abstract_Calculator *abc = new Add_Calculator;

    abc->num1 = 100;

    abc->num2 = 200;

    cout<<abc->num1<<" + "<<abc->num2<<" = "<<abc->get_result()<<endl;

    // 堆区数据用完记得销毁

    delete abc;

 

    // 减法运算

    abc = new Sub_Calculator;

    abc->num1 = 200;

    abc->num2 = 100;

    cout<<abc->num1<<" - "<<abc->num2<<" = "<<abc->get_result()<<endl;

    delete abc;

 

    // 乘法运算

    abc = new Mul_Calculator;

    abc->num1 = 200;

    abc->num2 = 100;

    cout<<abc->num1<<" * "<<abc->num2<<" = "<<abc->get_result()<<endl;

    delete abc;

}

int main()

{

    test02();

    return 0;

}

运行结果：

五、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，主要是调用子类的重写内容

因此可以将虚数改为纯虚数

纯虚数语法： 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;

// 纯虚数抽象类

class Base

{

public:

    virtual void func() = 0; // 虚函数的基础上才可以等于0，纯虚函数

    // 只要有一个纯虚数,这个类称为抽象类
    
};

 

// 抽象类的子类，必须要重写父类中的纯虚函数，否则也是抽象类，无法实例化对象

class Son:public Base

{

public:

    void func()

    {

        cout<<"func函数调用"<<endl;

    }

};

void test01()

{

    // Base b; 无法实例化一个抽象类

    // new 一个也不行

    Base *base = new Son;

    base->func();

}

int main()

{

    test01();

    return 0;

}

运行结果：

六、利用多态的抽象类写一个饮品制作流程的案例

案例描述：利用多态技术，提供抽象类制作饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶

示例：

#include<iostream>

using namespace std;

class Abstract_Drinking

{

public:

    // 煮水

    virtual void Boil() = 0;

    // 冲泡

    virtual void Brew() = 0;

    // 倒入杯中

    virtual void Pour_Cup() = 0;

    // 加入辅助佐料

    virtual void Put_something() = 0;

    // 制作饮品

    void make_drink()

    {

        Boil();

        Brew();

        Pour_Cup();

        Put_something();

    }

};

 

// 具体的制作

// 咖啡

class Coffee:public Abstract_Drinking

{

public:

    // 煮水

    virtual void Boil()

    {

             cout<<"煮矿泉水"<<endl;

    }

    // 冲泡

    virtual void Brew()

    {

        cout<<"冲泡咖啡"<<endl;

    }

    // 倒入杯中

    virtual void Pour_Cup()

    {

        cout<<"倒入杯中"<<endl;

    }

    // 加入辅助佐料

    virtual void Put_something()

    {

        cout<<"加入糖和牛奶"<<endl;

    }

};

 

// 茶

class Tea:public Abstract_Drinking

{

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 Pour_Cup()

    {

        cout<<"倒入杯中"<<endl;

    }

    // 加入辅助佐料

    virtual void Put_something()

    {

        cout<<"加入柠檬，枸杞"<<endl;

    }

};

 

// 制作

void do_work(Abstract_Drinking * abd)

    // Abstract_Drinking *abd = new Coffee  父类指针指向子类对象

{

    abd->make_drink();

    delete abd;// 在堆区制作完记得释放

}

 

void test01()

{

    // 制作咖啡

    do_work(new Coffee);

 

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

    // 制作茶

    do_work(new Tea);

}

int main()

{

    test01();

    return 0;

}

运行结果：

七、纯析构和纯虚析构

问题：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。

解决办法：将父类中的析构函数改为**虚析构**或者**纯虚析构**

虚析构和纯虚析构的共性：

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

虚析构和纯虚析构的区别：

如果是纯虚析构，该对象属于抽象类，无法实现实例化对象

**虚析构语法：**

virtual ~类名（）{}

**纯虚析构语法：**

virtual ~类名（）= 0；

类名：：~类名（）{} // 类内声明，类外实现

示例：

#include<iostream>

using namespace std;

// 虚析构和纯虚析构

class Animal

{

public:

    Animal()

    {

        cout<<"Animal的构造函数的调用"<<endl;

    }

    virtual void speak() = 0;// 变为纯虚函数

 

    // 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虚析构函数的调用"<<endl;

    }

    */

 

    virtual ~Animal() = 0;

    // 纯虚析构

    // 需要声明  也需要实现

    // 有了纯虚析构之后，那么这个类也属于抽象类，无法实现实例化对象

};

Animal::~Animal()

{

    cout<<"Animal纯虚析构函数的调用"<<endl;

}

 

class Cat: public Animal

{

public:

    Cat(string name)

    {

        cout<<"这是Cat的构造函数的调用"<<endl;

        this->name = new string(name);

    }

    void speak()

    {

        cout<<*name<<"小猫在说话"<<endl;

    }

    ~Cat()

    {

        if(this->name!=NULL)

        {

            cout<<"这是Cat的析构函数的调用"<<endl;

            delete this->name;

            this->name = NULL;

        }

    }

    string *name;// 创建在堆区

};

 

void test01()

{

    Animal *animal = new Cat("Tom");

    animal->speak();

    // 父类的指针在析构的时候不会调用子类的析构函数

    // 导致子类如果在堆区有数据，会出现内存泄漏的情况

    delete animal;

}

int main()

{

    test01();

    return 0;

}

运行结果：

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者纯虚析构
拥有纯虚析构函数的类也属于抽象类

八、利用多态写一个组装电脑的案例

案例说明：

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霉件，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

测试时组装三台下同的电脑进行工作

示例：

#include<iostream>

using namespace std;

 

// 抽象不同零件的类

// 计算机类

class CPU

{

public:

    // 抽象的计算函数

    virtual void calculate() = 0;

};

// 显卡类

class Video_Card

{

public:

    // 抽象的显示函数

    virtual void display() = 0;

};

// 内存条类

class Memory

{

public:

    // 抽象的存储函数

    virtual void storage() = 0;

};

 

// 提供电脑类

class Computer

{

public:

    Computer(CPU* cpu, Video_Card* vc, Memory* mem)

    {

        this->cpu = cpu;

        this->vc = vc;

        this->mem = mem;

    }

 

    // 提供工作函数

    void work()

    {

        // 让零件工作起来，调用接口

        this->cpu->calculate();

        this->vc->display();

        this->mem->storage();

    }

 

    // 提供析构函数  释放在堆区创建的三个零件

    ~Computer()

    {

        if(cpu!=NULL){

            delete cpu;

            cpu = NULL;

        }

        if(vc!=NULL){

            delete vc;

            vc = NULL;

        }

        if(mem!=NULL){

            delete mem;

            mem = NULL;

        }

}

 

private:

    CPU* cpu;  // CPU的零件指针

    Video_Card* vc;  // 显卡的零件指针

    Memory* mem;  // 内存条的零件指针

};

 

// 具体厂商

// Intel厂商

// CPU

class Intel_CPU :public CPU

{

public:

    void calculate()

    {

        cout << "这是Intel厂商的CPU,并且开始计算了" << endl;

    }

};

// 显卡

class Intel_Video_Card :public Video_Card

{

public:

    void display()

    {

        cout << "这是Intel厂商的显卡，并且开始显示了" << endl;

    }

};

// 内存条

class Intel_Memory :public Memory

{

    void storage()
    
    {

        cout << "这是Intel厂商的内存条，并且开始存储了" << endl;

    }

};

 

 

// Lenovo厂商

// CPU

class Lenovo_CPU :public CPU

{

public:

    void calculate()

    {

        cout << "这是Lenovo厂商的CPU,并且开始计算了" << endl;

    }

};

// 显卡

class Lenovo_Video_Card :public Video_Card

{

public:

    void display()

    {

        cout << "这是Lenovo厂商的显卡，并且开始显示了" << endl;

    }

};

// 内存条

class Lenovo_Memory :public Memory

{

    void storage()

    {

        cout << "这是Lenovo厂商的内存条，并且开始存储了" << endl;

    }

};

 

 

void test01()

{

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

    cout<<"第一台电脑开始工作"<<endl;
    
    // 创建第一台电脑的零件

    CPU* intel_CPU = new Intel_CPU;

    Video_Card* intel_videocard = new Intel_Video_Card;

    Memory* intel_memory = new Intel_Memory;

    // 创建电脑零件的时候时在堆区创建的

 

    // 创建第一台电脑

    Computer* computer1 = new Computer(intel_CPU, intel_videocard, intel_memory);

    computer1->work();

    delete computer1;

 

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

    cout<<"第二台电脑开始工作"<<endl;

    // 组装第二台电脑

    Computer* computer2 = new Computer(new Lenovo_CPU, new Lenovo_Video_Card, new Lenovo_Memory);

    computer2->work();

    delete computer2;

 

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

    cout<<"第三台电脑开始工作"<<endl;

    // 组装第三台电脑

    Computer* computer3 = new Computer(new Lenovo_CPU, new Intel_Video_Card, new Lenovo_Memory);

    computer3->work();

    delete computer3;

}

int main()

{

    test01();

    return 0;

}

运行结果：