C++核心编程之类和对象---C++面向对象的三大特性--多态

目录

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：

  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：

#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：

  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者纯虚析构
  3. 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// CPUclass 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// CPUclass 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：

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