黑马程序员C++核心编程笔记--4 类和对象--多态

news2025/6/5 7:54:43

1.多态的基本概念

多态是C++面向对象三大特性之一

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
  • 动态多态: 派生类和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

下面通过案例进行讲解多态

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal
{
public:
    // Speak函数就是虚函数
    // 在函数前加上 virtual，表示这是一个“虚函数”，编译器不会马上决定调用哪个版本的函数，
    // 而是等到程序运行时，根据对象真实的类型来决定调用哪个类的函数（运行时多态）。
    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，那么动态联编
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 test()
{
    Cat cat;
    DoSpeak(cat);

    Dog dog;
    DoSpeak(dog);
}

int main()
{
    test();

    return 0;
}

总结：

多态满足条件

  • 有继承关系

  • 子类重写父类中的虚函数

  • 多态使用条件

  • 父类指针或引用指向子类对象

  • 重写：函数返回值类型 函数名 参数列表 完全一致称为重写

2.多态案例一：计算器类

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 普通实现
class Calculator
{
public:
    int m_Num1;
    int m_Num2;

    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
    }

};

// 普通实现测试
void test1()
{
    Calculator c;
    c.m_Num1 = 10;
    c.m_Num2 = 20;

    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
// 多态优点：代码组织结构清晰，可读性强，利于前期和后期扩展以及维护
class AbstractCalculator
{
public:
    int m_Num1;
    int m_Num2;

    virtual int getResult()
    {
        return 0;
    }
};

// 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;
    }
};

// 乘法运算器
class MulCalculator :public AbstractCalculator
{
public:
    int getResult()
    {
        return m_Num1 * m_Num2;
    }
};

void test2()
{
    // 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;

    //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();

    test2();

    return 0;
}

总结：C++开发提倡利用多态设计程序架构，因为多态优点很多

3.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虚函数，否则也属于抽象类

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
   // 纯虚函数
   // 类中只要有一个纯虚函数就称为抽象类
   // 抽象类无法实体化对象
   // 子类必须重写父类中的纯虚函数，否则也属于抽象类
   virtual void show() = 0;
};

class Son : public Base
{
public:
   virtual void show()
   {
       cout << "show调用" << endl;
   }
};

void test1()
{
   Base* base = NULL;
   // base = *new Base;    // 错误，抽象类无法实例化对象
   base = new Son;
   base->show();
   delete base;    // 使用完后要销毁
}

int main()
{
   test1();
   return 0;
}

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

利用多态技术实现本案例，提供抽象制作饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

/*
* 制作饮品的大致流程为：煮水 - 冲泡 - 倒入杯中 - 加入辅料
* 利用多态技术实现本案例，提供抽象制作饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶
 */

// 抽象制作饮品
class AbstractDrinkind
{
public:
    // 烧水
    virtual void Boil() = 0;
    // 冲泡
    virtual void Brew() = 0;
    // 倒入杯中
    virtual void PourInCup() = 0;
    // 加入辅料
    virtual void AddCondiments() = 0;
    // 规定流程
    void MakeDrink()
    {
        Boil();
        Brew();
        PourInCup();
        AddCondiments();
    }
};

// 制作咖啡
class Coffee: public AbstractDrinkind
{
public:
    //  烧水
     void Boil()
     {
         cout << "把水煮沸" << endl;
     }
    // 冲泡咖啡
      void Brew()
     {
         cout  << "用沸水冲泡咖啡" << endl;
     }
    // 倒入杯中
     void PourInCup()
     {
         cout  << "把咖啡倒进杯子" << endl;
     }
    // 加入辅料
     void AddCondiments()
     {
         cout  << "加糖和牛奶" << endl;
     }
};

// 制作茶水
class Tea : public AbstractDrinkind
{
public:
    //  烧水
    void Boil()
    {
        cout << "把水煮沸" << endl;
    }
    // 冲泡茶
      void Brew()
     {
         cout  << "用沸水浸泡茶叶" << endl;
     }
    // 倒入杯中
     void PourInCup()
    {
        cout << "把茶倒进杯子" << endl;
    }
    // 加入辅料
     void AddCondiments()
     {
         cout  << "加枸杞" << endl;
     }
};

// 业务函数
void Dowork(AbstractDrinkind* drink)
{
    drink -> MakeDrink();
    delete drink;
}

void test()
{
    Dowork(new Coffee);
    cout << "-----------------"  << endl;
    Dowork(new Tea);
}

int main()
{
    test();
    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(){}

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal
{
public:
    Animal()
    {
        cout << "Animal()" << 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()" << endl;
    // }

    virtual ~Animal() = 0;
};

Animal::~Animal()
{
    cout << "~Animal()" << 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:
    string * m_name;
    Cat(string name)
    {
        cout << "Cat构造函数调用" << endl;
        m_name = new string(name);
    }
    virtual void Speak()
    {
        cout <<  "m_name: " << *m_name << ": 喵喵喵" << endl;
    }
    ~ Cat()
    {
        cout << "~Cat()" << endl;
        if (this -> m_name != nullptr)
        {
            delete m_name;
            m_name = nullptr;
        }
    }
};

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，造成内存泄露
    // 解决方法：给基类加一个虚析构函数
    // 虚析构函数用来解决通过父类指针释放子类对象
    delete animal;
}

int main()
{
    test01();
    return 0;
}

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:
    // 抽象计算函数
    virtual void calculate() = 0;
};

// 抽象显卡类
class GPU
{
public:
    // 抽象显示函数
    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, GPU* gpu, Memory* memory)
    {
        m_cpu = cpu;
        m_gpu = gpu;
        m_memory = memory;
    }

    // 提供工作的函数
    void work()
    {
        // 让零件工作起来，调用接口
        m_cpu->calculate();
        m_gpu->display();
        m_memory->storage();
    }

    // 提供析构函数，释放3个电脑零件
    ~Computer()
    {
        // 释放CPU零件
        if (m_cpu != nullptr)
        {
            delete m_cpu;
            m_cpu = nullptr;
        }
        // 释放GPU零件
        if (m_gpu != nullptr)
        {
            delete m_gpu;
            m_gpu = nullptr;
        }

        // 释放内存零件
        if (m_memory != nullptr)
        {
            delete m_memory;
            m_memory = nullptr;
        }
    }
private:
    CPU* m_cpu;     // CPU的零件指针
    GPU* m_gpu;      // 显卡的零件指针
    Memory* m_memory;      // 内存条的零件指针
};

// 具体厂商
//Intel厂商
class IntelCPU: public CPU
{
public:
    virtual void calculate()
    {
        cout << "Intel CPU calculate" << endl;
    }
};

class IntelGpu: public GPU
{
public:
    virtual void display()
    {
        cout << "Intel GPU display" << endl;
    }
};

class IntelMemory: public Memory
{
public:
    virtual void storage()
    {
        cout << "Intel Memory storage" << endl;
    }
};

// lenovo厂商
class LenovoCPU: public CPU
{
public:
    virtual void calculate()
    {
        cout << "Lenovo CPU calculate" << endl;
    }
};

class LenovoGPU: public GPU
{
public:
    virtual void display()
    {
        cout << "Lenovo GPU display" << endl;
    }
};

class LenovoMemory: public Memory
{
public:
    virtual void storage()
    {
        cout << "Lenovo Memory storage" << endl;
    }
};

void test()
{
    // 第一台电脑零件
    CPU *intelCpu = new LenovoCPU();
    GPU *intelGpu = new LenovoGPU();
    Memory *intelMemory = new LenovoMemory();
    cout << "第一台电脑开始工作：" << endl;
    Computer *computer1 = new Computer(intelCpu, intelGpu, intelMemory);
    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 LenovoGPU, 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 IntelGpu, new LenovoMemory);
    computer3 ->work();
    delete computer3;

}

int main() {
    test();
    return 0;
}

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