【一起来学C++】————(7)多态

发布于:2023-01-22 ⋅ 阅读:(2) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)

1、多态定义

  多态是C++面向对象三大特性之一,多态是在不同继承关系的类对象,去调用同一函数,产生了不同的行为。比如Student继承了Person。
Person对象买票全价,Student对象买票半价。

class Animal
{
public:
	//Speak函数就是虚函数
	//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;
	}
};

class Cat :public Animal
{
public:
	void speak()
	{
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};

class Dog :public Animal
{
public:

	void speak()
	{
		cout << "小狗在说话" << endl;
	}

};
//我们希望传入什么对象,那么就调用什么对象的函数
//如果函数地址在编译阶段就能确定,那么静态联编
//如果函数地址在运行阶段才能确定,就是动态联编

void DoSpeak(Animal & animal)
{
	animal.speak();
}
//
//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:
//父类指针或引用指向子类对象

void test01()
{
	Cat cat;
	DoSpeak(cat);


	Dog dog;
	DoSpeak(dog);
}


int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

那么在继承中要构成多态还有两个条件:

  1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
  2. 被调用的函数必须是虚函数,且派生类必须对基类的虚函数进行重写

2、多态分类

多态分为两类
静态多态: 函数重载运算符重载属于静态多态,复用函数名
动态多态: 派生类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

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:

//普通实现
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
	}
public:
	int m_Num1;
	int m_Num2;
};

void test01()
{
	//普通实现测试
	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
//抽象计算器类
//多态优点: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
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()
{
	//创建加法计算器
	AbstractCalculator *abc = new AddCalculator;
	abc->m_Num1 = 10;
	abc->m_Num2 = 10;
	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 = 10;
	abc->m_Num2 = 10;
	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 = 10;
	abc->m_Num2 = 10;
	cout << abc->m_Num1 << " * " << abc->m_Num2 << " = " << abc->getResult() << endl;
	delete abc;
}

int main() {

	//test01();

	test02();

	system("pause");

	return 0;
}

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:

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

void test01()
{
	Base * base = NULL;
	//base = new Base; // 错误,抽象类无法实例化对象
	base = new Son;
	base->func();
	delete base;//记得销毁
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

虚函数表

// 这里常考一道笔试题:sizeof(Base)是多少?
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};

通过观察测试我们发现b对象是8bytes,除了_b成员,还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面,这个跟平台有关),对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual,f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针,因为虚函数的地址要被放到虚函数表中,虚函数表也简称虚表。

4、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:

class Animal {
public:

	Animal()
	{
		cout << "Animal 构造函数调用!" << endl;
	}
	virtual void Speak() = 0;

	//析构函数加上virtual关键字,变成虚析构函数
	//virtual ~Animal()
	//{
	//	cout << "Animal虚析构函数调用!" << endl;
	//}


	virtual ~Animal() = 0;
};

Animal::~Animal()
{
	cout << "Animal 纯虚析构函数调用!" << endl;
}

//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。

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 <<  "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;
		}
	}

public:
	string *m_Name;
};

void test01()
{
	Animal *animal = new Cat("Tom");
	animal->Speak();

	//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;
}

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

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 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 IntelCPU :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 IntelCPU;
	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;

}

7、继承和多态常见的面试问题

1 概念查考

  1. 下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有( )
    A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象
  2. ( )是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关,而对方法的
    调用则可以关联于具体的对象。
    A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定
  3. 面向对象设计中的继承和组合,下面说法错误的是?()
    A:继承允许我们覆盖重写父类的实现细节,父类的实现对于子类是可见的,是一种静态复用,也称为
    白盒复用
    B:组合的对象不需要关心各自的实现细节,之间的关系是在运行时候才确定的,是一种动态复用,也
    称为黑盒复用
    C:优先使用继承,而不是组合,是面向对象设计的第二原则
    D:继承可以使子类能自动继承父类的接口,但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封装性的表现
  4. 以下关于纯虚函数的说法,正确的是( )
    A:声明纯虚函数的类不能实例化 B:声明纯虚函数的类成虚基类
    C:子类必须实现基类的 D:纯虚函数必须是空函数
  5. 关于虚函数的描述正确的是( )
    A:派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型 B:内联函数不能是虚函数
    C:派生类必须重新定义基类的虚函数 D:虚函数可以是一个static型的函数
  6. 关于虚表说法正确的是( )
    A:一个类只能有一张虚表
    B:基类中有虚函数,如果子类中没有重写基类的虚函数,此时子类与基类共用同一张虚表
    C:虚表是在运行期间动态生成的
    D:一个类的不同对象共享该类的虚表
  7. 假设A类中有虚函数,B继承自A,B重写A中的虚函数,也没有定义任何虚函数,则( )
    A:A类对象的前4个字节存储虚表地址,B类对象前4个字节不是虚表地址
    B:A类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址
    C:A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同
    D:A类和B类中的内容完全一样,但是A类和B类使用的不是同一张虚表
  8. 下面程序输出结果是什么? ()
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
A(char *s) { cout<<s<<endl; }
~A(){}
};
class B:virtual public A
{
public:
B(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class C:virtual public A
{
public:
C(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class D:public B,public C
{
public:
D(char *s1,char *s2,char *s3,char *s4):B(s1,s2),C(s1,s3),A(s1)
{ cout<<s4<<endl;}
};
int main() {
D *p=new D("class A","class B","class C","class D");
delete p;
return 0;
}

A:class A class B class C class D B:class D class B class C class A
C:class D class C class B class A D:class A class C class B class D

  1. 多继承中指针偏移问题?下面说法正确的是( )
class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){
Derive d;
Base1* p1 = &d;
Base2* p2 = &d;
Derive* p3 = &d;
return 0;
}

A:p1 == p2 == p3 B:p1 < p2 < p3 C:p1 == p3 != p2 D:p1 != p2 != p3
10. 以下程序输出结果是什么()

class A
{
public:
virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}
virtual void test(){ func();}
};
class B : public A
{
public:
void func(int val=0){ std::cout<<"B->"<< val <<std::endl; }
};
int main(int argc ,char* argv[])
{
B*p = new B;
p->test();
return 0;
}

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

2 问答题

  1. 什么是多态?答:参考本节课件内容

  2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)?
    答:在这里插入图片描述

  3. 多态的实现原理?答:参考本节课件内容

  4. inline函数可以是虚函数吗?答:不能,因为inline函数没有地址,无法把地址放到虚函数表中。

  5. 静态成员可以是虚函数吗?答:不能,因为静态成员函数没有this指针,使用类型::成员函数的调用方式
    无法访问虚函数表,所以静态成员函数无法放进虚函数表。

  6. 构造函数可以是虚函数吗?答:不能,因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始
    化的。

  7. 析构函数可以是虚函数吗?什么场景下析构函数是虚函数?答:可以,并且最好把基类的析构函数定义
    成虚函数。参考本节课件内容

  8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快?答:首先如果是普通对象,是一样快的。如果是指针对象或者是
    引用对象,则调用的普通函数快,因为构成多态,运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。

  9. 虚函数表是在什么阶段生成的,存在哪的?答:虚函数表是在编译阶段就生成的,一般情况下存在代码
    段(常量区)的。

  10. C++菱形继承的问题?虚继承的原理?