3.2 C++高级编程_抽象类界面

通常，我们在头文件中声明类，然后在cpp文件中实现他们。

类的声明和实现

首先创建五个文件：

• Chinese.cpp 和 Chinese.h；
• Englishman.cpp 和 Englishman.h；
• main.cpp；

然后，在 Chinese.h 和 Englishman.h 中分别声明Chinese类和Englishman类。

Chinese.h

#ifndef __CHINESE_H_
#define __CHINESE_H_

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

class Chinese {
public:
    void eating(void);

    void wearing(void);

    void driving(void);

    ~Chinese();
};

#endif

Englishman.h

#ifndef __ENGLISHMAN_H_
#define __ENGLISHMAN_H_

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

class Englishman {
public:
    void eating(void);

    void wearing(void);

    void driving(void);

    ~Englishman();
};

#endif

Chinese 类和 Englishman 类中分别定义了各自的 eating，wearing等函数。

在 Chinese.cpp 和 Englishman.cpp 中分别实现这些函数。

Chinese.cpp

#include "Chinese.h"

void Chinese::eating(void)
{
    cout << "use chopsticks to eat" << endl;
}

void Chinese::wearing(void)
{
    cout << "wear Chinese style" << endl;
}

void Chinese::driving(void)
{
    cout << "drive Chinese car" << endl;
}

Chinese::~Chinese()
{
    cout << "~Chinese()" << endl;
}

Englishman.cpp  

#include "Englishman.h"

void Englishman::eating(void)
{
    cout << "use knife to eat" << endl;
}

void Englishman::wearing(void)
{
    cout << "wear English style" << endl;
}

void Englishman::driving(void)
{
    cout << "drive English car" << endl;
}

Englishman::~Englishman()
{
    cout << "~Englishman()" << endl;
}

最后，在 main.c 中创建main函数，在main函数中分别创建两个类的对象，并且调用类的成员函数eating。

main.c

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include "Englishman.h"
#include "Chinese.h"

using namespace std;

int main(int argc, char **argv)
{
    Englishman e;
    Chinese c;

    e.eating();
    c.eating();

    return 0;
}

为了方便编译，写一个Makefile。

Makefile

TARGET=human

$(TARGET) : main.o Chinese.o Englishman.o
    g++ -o $@ $^

%.o : %.cpp
    g++ -o *.o *.cpp

clean:
    rm $(TARGET) *.o

编译并执行，可以看到程序如预期那样运行了。

提取基类和继承

现在，假设要增加一个读取和设置姓名的功能。

如果按照现在的结构，那么需要分别在Englishman类和Chinese类中分别增加一个私有成员name，然后再分别增加各自的成员函数 getName 和 setName 来设置和获取 name。

如果后续还有什么新增的功能，或者功能有变动，要同时修改两份文件，这样太麻烦了，不利为维护和开发。

可以将Englishman和Chinese类公有的功能抽象出来，建立一个基类，Englishman和Chinese类只需要继承这个基类即可。

这样后续如果有什么公有的功能，那么只需要修改这个基类。

增加Human.cpp和Human.h文件，声明一个基类Human。

Human.h

#ifndef __HUMAN_H_
#define __HUMAN_H_

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

class Human {
private:
    char *name;
public:
    void setName(char *name);

    char *getName(void);
};

#endif

Human.cpp

#include "Human.h"

void Human::setName(char *name)
{
    this->name = name;
}

char *Human::getName(void)
{
    return this->name;
}

然后，修改Chinese.h和Englishman.h，让Chinese类和Englishman类继承Human类。

Chinese.h

#ifndef __CHINESE_H_
#define __CHINESE_H_

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include "Human.h"

using namespace std;

class Chinese : public Human {
public:
    void eating(void);

    void wearing(void);

    void driving(void);

    ~Chinese();
};

#endif

Englishman.h

#ifndef __ENGLISHMAN_H_
#define __ENGLISHMAN_H_

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include "Human.h"

using namespace std;

class Englishman : public Human {
public:
    void eating(void);

    void wearing(void);

    void driving(void);

    ~Englishman();
};

#endif

这样，由于Chinese类和Englishman类继承了Human类，那么就可以直接使用Human类的setName函数和getName函数来设置和获取名字了。

main.cpp

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include "Englishman.h"
#include "Chinese.h"

using namespace std;

int main(int argc, char **argv)
{
    Englishman e;
    Chinese c;

    e.setName("Bill");
    c.setName("zhangsan");

    cout << e.getName() << endl;
    cout << c.getName() << endl;

    e.eating();
    c.eating();

    return 0;
}

编译的时候，注意要修改下Makefile，把Human.cpp文件加入编译。

Makefile

TARGET=human

$(TARGET) : main.o Chinese.o Englishman.o Human.o
	g++ -o $@ $^

%.o : %.cpp
	g++ -c -o $@ $<

clean:
	rm $(TARGET) *.o

编译测试，可以看到，分别设置和获取了名字，符合需求。

多态

修改main.cpp，增加一个test_eating函数。

void test_eating(Human *h)
{
    h->eating();
}

在main函数中分别传入e（Englishman类）和c（Chinese类）的地址。

int main(int argc, char **argv)
{
    Englishman e;
    Chinese c;

    Human *h[2] = { &e, &c };
    int i;

    for (i = 0; i < 2; i++)
    {
        test_eating(h[i]);
    }

    return 0;
}

在Human类中增加一个成员函数eating，Chinese类和Englishman类中之前分别有实现自己的eating成员函数，这里不做赘述。

class Human {
private:
    char *name;
public:
    void setName(char *name);

    char *getName(void);

    void eating(void)
    {
        cout << "use hand to eat" << endl;
    }
};

此时，我们希望传入c时输出的是“use chopsticks to eat”，传入e时，输出“use knife to eat”。

但是显然，此时由于没有使用虚函数，调用的应该是Human类中的eating函数，也就是输出"use hand to eat"。

将Human类中的eating函数改为虚函数，使用多态实现针对性的调用（传入同样参数，会根据这个参数属于哪个类的，然后去调用对应的类的函数）。

编译测试，结果如下。

纯虚函数

事实上，我们不会创建一个Human类的对象，因为每一个人都有自己的国家等信息，Human类仅仅是作为一个基类使用。

这时，可以使用纯虚函数定义Human类的成员函数eating。

使用纯虚函数有两个好处：

1. 节省代码：本来也用不到Human类的eating函数，何必还要浪费空间和时间来实现它呢；
2. 可以阻止生成一个Human类的实例化对象：接上节所说，本次是研究各个国家的人，那么应该使用Chinese类或Englishman类来创建一个具体的对象，而不是使用Human类；

应用编程和类编程

将上面的程序分为应用编程和类编程。

• 应用编程：使用类编程中提供的功能，即使用类，这里主要是main.cpp；
• 类编程：实现项目需要的功能，即提供类，这里包括Chinese.cpp，Englishman.cpp，Human.cpp；

需要修改Makefile，将Chinese.cpp，Englishman.cpp，Human.cpp编成一个动态库。

Makefile

TARGET=human

$(TARGET) : main.o libHuman.so
	g++ -o $@ $< -L./ -lHuman

libHuman.so :   Englishman.o Chinese.o Human.o
	g++ -shared -o $@ $^

%.o : %.cpp
	g++ -fPIC -c -o $@ $<

clean:
	rm $(TARGET) *.o

其中，-fPIC表示使用位置无关码(生成的机器代码，该代码与内存地址无关，即不对将其加载到RAM中的位置进行任何假设)，-shared表示编程成一个动态库文件。

编译生成可执行文件human。

但是此时编译会报错，报找不到动态库文件。

 需要指定一下找库的路径，指定在当前路径下找库文件，然后执行human。

LD_LIBRARY_PATH=./ ./human

或者

export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH
./human

两者的结果是一样的，最终human可以成功执行。

这样写Makefile有什么好处呢？

答：将程序分成了应用编程和类编程，比如说要修改Chinese，Englishman，那么现在不需要修改用用程序，只需要重新生成动态库文件libHuman.so。

修改Chinese.cpp，修改eating函数输出的语句，在末尾增加输出adjust。

然后只需要重新编译libHuman.so，不需要重新编译应用文件human。

测试结果如下，可以看到输出的语句已经是修改之后的了。

抽象类界面

再思考一下，如果修改的是头文件，是否也是只需要重新编译库文件而不用编译应用文件呢？

修改Englishman.cpp和Englishman.h。

Englishman.h

Englishman.cpp

修改main函数，创建Englishman对象e时，会调用对应的带参数的构造函数。

main.cpp

此时，程序编译和执行都没有问题。

但是，如果我们修改了头文件Englishman.h呢？

修改头文件Englishman.h和Englishman.cpp。

Englishman.h

Englishman.cpp

然后只编译库文件，没有重新编译human。

测试执行，发生了core dump。

此时，只有重新clean，然后重新make，才能正常使用。

显然，这样是有问题的，不符合我们之前应用编程和类编程的分工需要。（类编程的修改，应该不会影响到应用编程，即类编程修改只需要更新库文件，不需要重新编译应用程序）

问题的根源在于，为什么不重新编译应用程序会发生core dump（崩溃）？

答：因为main.cpp中需要包含Englishman.h，修改了包含的头文件，当然需要重新修改对应的.cpp文件。

那么，是否能够将Englishman.h，Chinese.h这些头文件剔除出main.cpp，只包含相对固定的Human.h呢？

答：是可以的，这里引入抽象类界面的概念。

即应用程序app只和相对固定的Human.h联系，然后Human.h下面包含两个类Chinese和Englishman。

这样子，这两个类的修改就不会影响到app了，因为app根本就没有包含它们。

代码结构大致如下：

修改Human.h。

Human.h

增加声明两个函数，分别用于创建Englishman和Chinese对象。

然后，分别在Chinese.cpp和Englishman.cpp中实现这两个函数。

Chinese.cpp

Englishman.cpp

修改main.cpp，将Englishman.h和Chinese.h这两个头文件屏蔽掉，并且使用Human.h中声明的CreateEnglishman和CreateChinese来创建对象。

此时编译和执行都是没有问题的。

然后和之前一样，修改头文件Englishman.h。

Englishman.h

Englishman.cpp也要对应修改。

Englishman.cpp

此时，只编译库文件，不重新编译应用程序human，然后执行。

程序可以正常运行。

显然，这是由于CreateEnglishman函数和CreateChinese函数实际上是在库文件中实现的，当app调用到这两个函数时，其实执行的是库文件中的代码，所以只需要重新编译库即可。

通过抽象类界面，我们就实现了应用编程和类编程的分离。

优化 

上面使用了抽象类界面的代码，在创建了两个对象后，没有释放，修改代码加上释放的操作。

修改代码，使用delete删除对象。

给Human类增加析构函数。

Human.h

增加析构函数的声明，注意析构函数需要声明为虚函数。

Human.cpp

实现Human类的析构函数。

编译测试，可以看到对应的析构函数被依次调用。