《21天学通C++》（第十一章）多态

news2024/11/24 12:39:49

为什么需要多态？
为了最大限度地减少代码，提高可读性

1.虚函数

虚函数是C++中的一种特殊成员函数，它允许在派生类（也称为子类）中重写（覆盖）基类的实现，使用virtual进行声明

在C++中，如果基类中的成员函数不是虚函数，派生类中的同名函数并不会覆盖或重写基类中的函数，而是产生函数隐藏，意味着如果你通过基类类型的指针或引用调用该函数，实际上调用的是基类中的版本，而不是派生类中的版本。

不使用虚函数：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    // 普通函数，不是虚函数
    void func() {
        cout << "Base func" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    // 看起来像是重写，实际上是函数隐藏
    void func() {
        cout << "Derived func" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->func(); // 调用 Base::func，而不是 Derived::func
    //输出结果为Base func
    delete basePtr;
    system("pause");
    return 0;
}

使用虚函数

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    // 声明为虚函数
    virtual void func() {
        cout << "Base func" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
	//真正地重写
    void func() {
        cout << "Derived func" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->func(); // 正确调用 Derived::func
    //输出结果为Derived func
    delete basePtr;
    system("pause");
    return 0;
}

2.使用虚函数实现多态行为

通过函数引用实现

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类 Fish，定义了鱼类的通用行为
class Fish {
public:
    // 虚函数 swim，允许派生类重写，实现多态
    virtual void swim() const {
        cout << "Fish is swimming" << endl;
    }
};

// 派生类 Tuna，继承自 Fish
class Tuna : public Fish {
public:
    // 重写 Fish 类的 swim 函数，实现 Tuna 类特有的游泳行为
    void swim() const override {
        cout << "Tuna is swimming fast" << endl;
    }
};

// 派生类 Carp，继承自 Fish
class Carp : public Fish {
public:
    // 重写 Fish 类的 swim 函数，实现 Carp 类特有的游泳行为
    void swim() const override {
        cout << "Carp is swimming slowly" << endl;
    }
};

// 函数，使用 Fish 类的引用参数来实现多态
void makeFishSwim(const Fish& fish) {
    fish.swim(); // 根据传入对象的实际类型调用相应的 swim 方法
}

int main() {
    Tuna tuna;
    Carp carp;

    // 通过引用传递给函数，实现多态
    makeFishSwim(tuna); // 输出 "Tuna is swimming fast"
    makeFishSwim(carp); // 输出 "Carp is swimming slowly"
    system("pause");
    return 0;
}

通过指针实现：

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类 Fish，定义了鱼类的通用行为
class Fish {
public:
    // 虚函数 swim，允许派生类重写，实现多态
    virtual void swim() {
        cout << "Fish is swimming" << endl;
    }

    // 虚析构函数
    virtual ~Fish() {
        cout << "Fish is deconstructed" << endl;
    }
};

// 派生类 Tuna，继承自 Fish
class Tuna : public Fish {
public:
    // 重写 Fish 类的 swim 函数，实现 Tuna 类特有的游泳行为
    void swim() override {
        cout << "Tuna is swimming fast" << endl;
    }

    // Tuna 类的析构函数
    ~Tuna() {
        cout << "Tuna is deconstructed" << endl;
    }
};

// 派生类 Carp，继承自 Fish
class Carp : public Fish {
public:
    // 重写 Fish 类的 swim 函数，实现 Carp 类特有的游泳行为
    void swim() override {
        cout << "Carp is swimming slowly" << endl;
    }

    // Carp 类的析构函数
    ~Carp() {
        cout << "Carp is deconstructed" << endl;
    }
};

int main() {
    // 创建派生类对象
    Fish* fish = new Tuna();
    fish->swim(); // 调用 Tuna::swim，输出 "Tuna is swimming fast"

    Fish* carp = new Carp();
    carp->swim(); // 调用 Carp::swim，输出 "Carp is swimming slowly"

    // 删除对象，调用相应的析构函数
    delete fish;
    delete carp;
	system("pause");
    return 0;
}

3.虚函数的工作原理——虚函数表

虚函数表（通常称为vtable）是C++中实现运行时多态的一种机制。当一个类包含至少一个虚函数时，编译器会为这个类创建一个虚函数表，这张表包含了类中所有虚函数的地址。

工作流程如下：

1.虚函数表的创建： 当一个类中包含至少一个虚函数时，编译器会为这个类创建一个虚函数表。这个表包含了该类所有虚函数的地址。

2.虚函数表指针： 编译器为每个对象添加一个指针，指向其类的虚函数表。这个指针通常存储在对象的内存布局的最前面。

3.调用虚函数： 当你通过一个基类指针或引用调用一个虚函数时，编译器生成的代码首先会访问对象的虚函数表指针，然后查找并调用表中对应的函数。

4.动态绑定： 由于虚函数表的存在，函数调用的解析是在运行时进行的，这称为动态绑定或晚期绑定。这意味着即使基类指针指向的是派生类对象，调用的也是派生类中重写的函数版本。

class Base {
public:
    virtual void show() {
        std::cout << "Base show" << std::endl;
    }
    virtual ~Base() {}  // 虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override {  // 重写基类中的虚函数
        std::cout << "Derived show" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();  // 创建Derived对象的指针，但声明为Base类型
    basePtr->show();  // 调用show()，虽然basePtr是Base类型，但实际调用的是Derived的show()
    delete basePtr;
    return 0;
}

4.抽象基类和纯虚函数

抽象基类： 至少包含一个纯虚函数，而且无法被实例化，只能用于派生其他类，简称为ABC

纯虚函数： 它在基类中声明但故意不提供实现，其声明的函数体部分使用 = 0 来标识

virtual ReturnType FunctionName() = 0;

抽象基类使用方法如下：

#include <iostream>
using namespace std;

// 抽象基类
class Shape {
public:
    // 纯虚函数，用于定义绘制形状的接口
    virtual void draw() const = 0;

    // 虚析构函数，确保派生类的析构函数被正确调用
    virtual ~Shape() {}
};

// 派生类 Circle，表示圆形
class Circle : public Shape {
public:
    // 实现 Circle 的 draw 方法
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;
    }
};

// 派生类 Rectangle，表示矩形
class Rectangle : public Shape {
public:
    // 实现 Rectangle 的 draw 方法
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a rectangle." << std::endl;
    }
};


int main() {
    // 创建一个指向 Shape 的指针数组，用于存储不同形状的指针
    Shape* shapes[] = { new Circle(), new Rectangle() };

    // 使用基类指针调用 draw 方法，实现多态
    for (Shape* shape : shapes) {
        shape->draw(); // 根据对象的实际类型调用相应的派生类的 draw 方法
    }

    // 释放动态分配的内存
    for (Shape* shape : shapes) {
        delete shape;
    }
    system("pause");
    return 0;
}

5.使用虚继承解决菱形问题

菱形问题： 即一个派生类继承自两个中间基类，而这两个中间基类又都继承自同一个基类时。这种继承结构在类图上看起来像一个菱形，因此得名。
在这里插入图片描述
田园犬类同时继承狗类和哺乳类，而哺乳类和狗类又同时继承动物类，呈现一个菱形结构。

在这个例子中田园犬类会分别从狗类和哺乳类中各自继承一个动物类，导致内存浪费和潜在的一致性问题，所以为了解决这个问题，可以使用虚函数继承来解决

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义基类 Animal
class Animal {
public:
    // 动物的呼吸方法
    virtual void breathe() { cout << "Animal breathes" << endl; }
    // 虚析构函数，确保派生类可以正确释放资源
    virtual ~Animal() {}
};

// 定义中间基类 Mammal，使用虚继承自 Animal
class Mammal : virtual public Animal {
public:
    // 哺乳动物特有的哺育行为
    void nurse() { cout << "Mammal nurses its young" << endl; }
    // 虚析构函数
    virtual ~Mammal() {}
};

// 定义中间基类 Dog，使用虚继承自 Animal
class Dog : virtual public Animal {
public:
    // 狗的吠叫行为
    void bark() { cout << "Dog barks" << endl; }
    // 虚析构函数
    virtual ~Dog() {}
};

// 定义派生类 Poodle，同时继承自 Dog 和 Mammal
class Poodle : public Dog, public Mammal {
public:
    // 贵宾犬特有的行为
    void prance() { cout << "Poodle prances" << endl; }
    // 虚析构函数
    virtual ~Poodle() {}
};

// 主函数
int main() {
    // 创建 Poodle 对象
    Poodle myPoodle;
    // 调用从各个基类继承来的方法
    myPoodle.bark();    // Dog 类的 bark 函数
    myPoodle.nurse();   // Mammal 类的 nurse 函数
    myPoodle.breathe();  // Animal 类的 breathe 函数
    myPoodle.prance();   // Poodle 类的 prance 函数
    system("pause"); // 用于在控制台程序结束前暂停，以便查看输出
    return 0;
}

6.表明覆盖意图的限定符override

使用override关键字有助于编译器检查函数签名是否与基类中的虚函数相匹配，从而提高代码的可读性和安全性。

使用方法如下：

class Base {
public:
    virtual void function() {
        // 基类
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void function() override { // 使用 override 明确指出重写
        // 派生类
    }
};

7.使用final禁止覆盖函数

final关键字用于阻止派生类进一步重写（覆盖）基类中的虚函数。当你希望某个虚函数在派生类中保持最终实现，不允许任何进一步的重写时，可以使用final关键字。

class Base {
public:
    virtual void function() final {//使用final禁止覆盖
        // 基类实现
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void function() override { // 这里会编译错误，因为 Base::function() 被声明为 final
        // 派生类实现
    }
};

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