【C++核心编程】4.7类和对象：多态

一、封装

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二、对象的初始化和清理

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三、C++对象模型和this指针

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四、友元

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五、运算符重载

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六、继承

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七、多态

1. 多态的基本概念

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。静态多态的函数地址早绑定，即编译阶段确定函数地址。
• 动态多态：（更常用）派生类和虚函数实现运行时多态。动态多态的函数地址晚绑定，即运行阶段确定函数地址。

此时Animal类所占内存空间为：1（因为非静态成员函数不占类里）：

class Animal
{
public:
	void speak()
	{
		cout << "动物在说话" << endl;
	}
};

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

//执行说话的函数
//地址早绑定：在编译阶段就确定了函数地址
void doSpeak(Animal& animal)//Animal& animal = cat
{
	animal.speak();
}

void test01()
{
	Cat cat;
	doSpeak(cat);//动物在说话
}

在基类的同名函数前加关键字virtual，其变为一个虚函数，如下，输出便不一样了。并且此时Animal所占内存空间为4，因为多了一个指针（所有类型的指针都占4个字节）！

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

class Cat :public Animal
{
public:
	void speak()//前面可写关键字virtual也可不写
	{
		cout << "小猫在说话" << endl;
	}
};

//执行说话的函数
//地址晚绑定：在运行阶段才能确定函数地址
void doSpeak(Animal& animal)//Animal& animal = cat
{
	animal.speak();
}

void test01()
{
	Cat cat;
	doSpeak(cat);//小猫在说话
}

动态多态满足的条件：
1、有继承关系
2、子类重写父类的虚函数（函数返回值类型、函数名、参数列表完全相同才算重写）

动态多态的使用：
父类的指针或者引用指向子类对象

2. 多态案例一：计算器类

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 open)
	{
		if (open == "+")
		{
			return m_Num1 + m_Num2;
		}
		else if (open == "-")
		{
			return m_Num1 - m_Num2;
		}
		else if (open == "*")
		{
			return m_Num1 * m_Num2;
		}
		//如果想扩展新的功能，需要修改源码
	}
	int m_Num1;//操作数1
	int m_Num2;//操作数2
};

void test01()
{
	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;
}

在真实开发中，提倡开闭原则，即对扩展进行开放，对修改进行关闭。利用多态实现如下：

//实现计算器抽象类
class AbstractCalculator
{
public:
	//不写具体实现
	virtual int getResult() 
	{
		return 0;
	};
	int m_Num1;
	int m_Num2;
};

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

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

//乘法计算器类
class MulCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
	int getResult()
	{
		return m_Num1 * m_Num2;
	}
};

void test01()
{
	//多态使用条件：父类指针或引用指向子类对象
	
	//加法运算
	AbstractCalculator* abc = new AddCalculator;
	abc->m_Num1 = 10;
	abc->m_Num2 = 10;
	cout << abc->m_Num1 << "+" << abc->m_Num2 << "=" << abc->getResult() << endl;
	//之前开辟的是堆区数据，所以用完要销毁
	delete abc;

	//减法运算
	abc = new SubCalculator;//上面释放了堆区数据，但abc这个指针类型并没有变
	abc->m_Num1 = 10;
	abc->m_Num2 = 10;
	cout << abc->m_Num1 << "-" << abc->m_Num2 << "=" << abc->getResult() << endl;
	delete abc;

	//乘法运算
	abc = new MulCalculator;
	abc->m_Num1 = 10;
	abc->m_Num2 = 10;
	cout << abc->m_Num1 << "*" << abc->m_Num2 << "=" << abc->getResult() << endl;
	delete abc;
}

多态的优点：

• 代码组织结构清晰
• 可读性强
• 利用前期和后期的扩展以及维护

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

4. 多态案例二：制作饮品

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，提供抽象制作饮品基类，提供子类制作加糖和牛奶的咖啡和加柠檬的茶叶。

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

class AbstractDrinking
{
public:
	virtual void Boil() = 0;//煮水
	virtual void Brew() = 0;//冲泡
	virtual void PourInCup() = 0;//倒入杯中
	virtual void PutSomething() = 0;//加入辅料
	void makeDrink()//制作饮品
	{
		Boil();
		Brew();
		PourInCup();
		PutSomething();
	}
};

class Caffee :public AbstractDrinking
{
public:
	virtual void Boil()
	{
		cout << "煮农夫山泉" << endl;
	}
	virtual void Brew()
	{
		cout << "冲泡咖啡" << endl;
	}
	virtual void PourInCup()
	{
		cout << "倒入杯中" << endl;
	}
	virtual void PutSomething()
	{
		cout << "加入糖和牛奶" << endl;
	}
};

class Tea :public AbstractDrinking
{
public:
	virtual void Boil()
	{
		cout << "煮矿泉水" << endl;
	}
	virtual void Brew()
	{
		cout << "冲泡茶叶" << endl;
	}
	virtual void PourInCup()
	{
		cout << "倒入杯中" << endl;
	}
	virtual void PutSomething()
	{
		cout << "加入柠檬" << endl;
	}
};

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

void test01()
{
	//制作咖啡
	doWork(new Caffee);
	cout << "--------------" << endl;
	//制作茶叶
	doWork(new Tea);
}

int main()
{
	test01();
	system("pause");
	return 0;
}

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。

解决方法：将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构。

虚析构语法：virtual ~类名() {}
纯虚析构语法：类内virtual ~类名() = 0;//声明 + 类外 类名::~类名(){}//具体实现

虚析构和纯虚析构共性：

• 可以解决父类指针释放子类对象的问题。如果子类没有堆区数据，可以不写虚析构或纯虚析构
• 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

之前学过的写法为：

class Animal
{
public:
	virtual void speak() = 0;//纯虚函数
};

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

void test01()
{
	Animal* animal = new Cat;
	animal->speak();
	delete animal;
}

若写为下面格式：

class Animal
{
public:
	Animal()
	{
		cout << "Animal构造函数调用" << endl;
	}
	~Animal()
	{
		cout << "Animal析构函数调用" << endl;
	}

	virtual void speak() = 0;//纯虚函数
};

class Cat :public Animal
{
public:
	Cat(string name)
	{
		cout << "Cat构造函数调用" << endl;
		m_Name = new string(name);//new返回的是指针
	}

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

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

	string* m_Name;//用指针将数据创建在堆区
};

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

那么不会释放Cat，因为父类指针在析构时候不会调用子类的析构函数，导致子类如果有堆区属性，会出现内存泄漏。解决方法为将父类的析构函数改为虚析构即可，如下：

class Animal
{
public:
	Animal()
	{
		cout << "Animal构造函数调用" << endl;
	}
	virtual ~Animal()//虚析构
	{
		cout << "Animal析构函数调用" << endl;
	}

	virtual void speak() = 0;//纯虚函数
};

或者改为纯虚析构，但纯虚析构需要有声明，也需要有具体实现（这一点与纯虚函数不同）：

class Animal
{
public:
	Animal()
	{
		cout << "Animal构造函数调用" << endl;
	}
	virtual ~Animal() = 0;//纯虚析构

	virtual void speak() = 0;//纯虚函数
};

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

6. 多态案例三：电脑组装

电脑主要组成部件为CPU（用于计算）、显卡（用于显示）、内存条（用于储存）。
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。

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

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

//抽象的显卡类
class VideoCard
{
public:
	virtual void display() = 0;//抽象的显示函数
};

//抽象的内存条类
class Memory
{
public:
	virtual void storage() = 0;//抽象的存储函数
};

//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，调用零件接口让其工作
	void work()
	{
		m_cpu->calculate();
		m_vc->display();
		m_mem->storage();
	}
	~Computer()//提供析构函数，释放3个电脑零件
	{
		if (m_cpu != NULL)
		{
			delete m_cpu;
			m_cpu = NULL;
		}
		if (m_vc != NULL)
		{
			delete m_vc;
			m_vc = NULL;
		}
		if (m_mem != NULL)
		{
			delete m_mem;
			m_mem = NULL;
		}
	}
private:
	CPU* m_cpu;//CPU的零件指针
	VideoCard* m_vc;//显卡的零件指针
	Memory* m_mem;//内存条的零件指针
};

//具体厂商
//Intel
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
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;
	//创建第一台电脑
	Computer* computer1 = new Computer(intelCPU, intelCard, intelMem);
	computer1->work();
	delete computer1;

	//第二台电脑
	cout << "-----------" << endl;
	Computer* computer2 = new Computer(new LenovoCPU, new LenovoVideoCard, new LenovoMemory);
	computer2->work();
	delete computer2;

	//第三台电脑
	cout << "-----------" << endl;
	Computer* computer3 = new Computer(new LenovoCPU, new IntelVideoCard, new LenovoMemory);
	computer3->work();
	delete computer3;
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}