C++系列-多态的基本语法

《游山西村》

南宋·陆游

莫笑农家腊酒浑，丰年留客足鸡豚。

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

箫鼓追随春社近，衣冠简朴古风存。

从今若许闲乘月，柱杖无时夜叩门。

多态的含义

通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

• C++多态性（Polymorphism）是面向对象编程(OOP)的一个重要特性之一。
• 它允许我们使用统一的接口来处理不同类型的对象。
• 多态性使得程序更加灵活、可扩展并且易于维护。

静态多态

• 函数重载，运算符重载这些都属于静态多态，复用函数名。
• 编译阶段就确定了函数的地址。

动态多态

• 使用了一种动态绑定的技术，这个技术的核心就是虚函数表(virtual table)。
• 运行阶段才确定函数的地址。

看一下下面这段代码，执行eat函数，想通过父类的引用指向子类的对象，用于实现子类的函数调用，可是事与愿违。
查看父类的大小，因为非静态成员函数并非属于类的对象上，所以size是1。

code:
#include<iostream>
using namespace std;class Vegetable
{
public:void eat(){cout << "多吃蔬菜对身体好哦！" << endl;}
};class Spinach :public Vegetable
{
public:void eat(){cout << "多吃 菠菜 对身体好哦！" << endl;}
};class Taro :public Vegetable
{
public:void eat(){cout << "多吃 芋头 对身体好哦！" << endl;}
};void eat(Vegetable &veg)
{veg.eat();
}int main()
{Spinach sp1;eat(sp1);Taro ta1;eat(ta1);cout << "sizeof(Vegetable) = " << sizeof(Vegetable) << endl;cout << "sizeof(Spinach) = " << sizeof(Spinach) << endl;cout << "sizeof(Taro) = " << sizeof(Taro) << endl;system("pause");return 0;
}result:
多吃蔬菜对身体好哦！
多吃蔬菜对身体好哦！
sizeof(Vegetable) = 1
sizeof(Spinach) = 1
sizeof(Taro) = 1

接着改变一个地方，在父类函数前加上virtual关键字，同时对子类中的函数进行重写。
通过父类的引用指向子类的对象，实现了子类的函数调用。
查看类的结构，大小变为4，vfptr virtual function pointer, 它指向一个vftable，和操作系统有关，有的是8。

• 所谓的虚函数，就是被virtual修饰的类成员函数。
• 子类中有一个跟父类完全相同的虚函数(即子虚函数与父类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了父类的虚函数。
• 子类在重写父类的虚函数时，在函数前可以加virtual，可以不加，建议加。

code:
#include<iostream>
using namespace std;class Vegetable
{
public:virtual void eat(){cout << "多吃蔬菜对身体好哦！" << endl;}
};class Spinach :public Vegetable
{
public:virtual void eat(){cout << "多吃 菠菜 对身体好哦！" << endl;}
};class Taro :public Vegetable
{
public:virtual void eat(){cout << "多吃 芋头 对身体好哦！" << endl;}
};void eat(Vegetable &veg)		// 父类的引用指向子类的对象
{veg.eat();
}int main()
{Spinach sp1;eat(sp1);Taro ta1;eat(ta1);cout << "sizeof(Vegetable) = " << sizeof(Vegetable) << endl;cout << "sizeof(Spinach) = " << sizeof(Spinach) << endl;cout << "sizeof(Taro) = " << sizeof(Taro) << endl;system("pause");return 0;
}result:
多吃 菠菜 对身体好哦！
多吃 芋头 对身体好哦！
sizeof(Vegetable) = 4
sizeof(Spinach) = 4
sizeof(Taro) = 4

如果子类中不重写父类中的虚函数，类的结构如下：
vftable中的函数地址父类和子类是相同的，执行的都是父类的函数。

多态的底层原理

• 在类的结构中，有一个vfptr指向一个vftable。
• vftable中放置了虚函数的地址，当子类中未重写该函数时，该地址是父类函数的地址，否则为子类函数的地址。
• 如果有多个虚函数，vftable放置的是虚函数的地址对应的数组。

多态中的final和override

• 有些情况下由于疏忽，比如函数名书写错误，导致无法实现多态，这种错误在编译期间是不会报出的，但在运行期间得不到正确的结果。
• C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

final

• 修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写。
• virtual 返回类型 函数名(形参) final {}

override:

• 检查子虚函数是否重写了父类某个虚函数，如果没有重写编译报错。
• virtual 返回类型 函数名(形参) override {}

多态的应用和优点

• 代码组织结构清晰
• 可读性强
• 利于代码维护

计算器简单实现

//在上述代码中，我们首先定义了一个抽象基类  Operation ，其中包含一个纯虚函数  calculate 。
//然后，分别创建了加法、减法、乘法和除法的子类来实现具体的计算逻辑。
//在 main 函数中，根据用户的选择创建相应的子类对象，让父类指针指向它，并通过多态调用计算函数得到结果。
#include <iostream>
using namespace std;// 抽象父类，纯虚函数
class Operation 
{
public:virtual double calculate(double num1, double num2) = 0;     // 纯虚函数
};// 加法操作类
class Add : public Operation 
{
public:double calculate(double num1, double num2) override         // override表示是重写父类中的函数{return num1 + num2;}
};// 减法操作类
class Subtract : public Operation 
{
public:double calculate(double num1, double num2) override{return num1 - num2;}
};// 乘法操作类
class Multiply : public Operation 
{
public:double calculate(double num1, double num2) override {return num1 * num2;}
};// 除法操作类
class Divide : public Operation {
public:double calculate(double num1, double num2) override {if (num2 != 0) {return num1 / num2;}else {cout << "除数不能为 0" << endl;return 0;}}
};int main() 
{Operation* op;      // 父类指针double num1, num2, result;int choice;while (1){cout << "------------ 请选择操作 ------------" << endl;cout << "1. 加法" << endl;cout << "2. 减法" << endl;cout << "3. 乘法" << endl;cout << "4. 除法" << endl;cout << "0. 退出" << endl;cin >> choice;          // if (choice == 0){cout << "退出计算过程" << endl;break;}else{cout << "请输入第一个数：";cin >> num1;cout << "请输入第二个数：";cin >> num2;switch (choice){case 1:op = new Add();     // 父类指针指向子类对象break;case 2:op = new Subtract();break;case 3:op = new Multiply();break;case 4:op = new Divide();break;default:cout << "无效的选择" << endl;return 1;}result = op->calculate(num1, num2);     // 通过父类指针指向的是哪一个子类对象实现其对应的计算cout << "结果是：" << result << endl;delete op;}}system("pause");return 0;
}

电脑组装的实现

• 假设电脑的主要部件为CPU，内存条，显卡, 各有不同的厂家，不同厂家的器件特性不一样，后续可能会不断增加。
• 将每个零件封装出抽象父类，然后不同的厂家的零件定义子类，这样可以便于后续的维护和增加。
• 定义一个计算机类，其中实现初始化，组装操作等。
  在组装过程中，打印出各零件的厂家及零件类型信息。

#include <iostream>
using namespace std;// 假设电脑的主要部件为CPU，内存条，显卡, 各有不同的厂家，不同厂家的器件特性不一样，后续可能会不断增加。
// 将每个零件封装出抽象父类，然后不同的厂家的零件定义子类，这样可以便于后续的维护和增加。
// 定义一个计算机类，其中实现初始化，组装操作等。// 每个零件定义父类，实现多态应用，定义虚函数或者纯虚函数。
class Cpu
{
public:virtual void calculate() {};
};class Memory
{
public:virtual void storage() {};
};class VideoCard
{
public:virtual void display() {};
};// 不同厂家的零件继承零件父类，并实现具体的函数，实现多态应用。
class AmdCpu: public Cpu
{
public:void calculate() {cout << "amd cpu calculate." << endl;};
};class IntelCpu : public Cpu
{
public:void calculate(){cout << "intel cpu calculate." << endl;};
};class SamsungMemory : public Memory
{
public:void storage(){cout << "samsung memory save data." << endl;};
};class MicronMemory : public Memory
{
public:void storage(){cout << "micron memory save data." << endl;};
};class AmdVideoCard : public VideoCard
{
public:void display(){cout << "amd video card display." << endl;};
};class NvidiaVideoCard : public VideoCard
{
public:void display(){cout << "nvidia video card display." << endl;};
};// 定义计算机类，实现初始化，组装操作等，因为子类对象开辟在堆区，所以重写析构函数，实现堆区内存释放
class Computer
{
public:Computer(Cpu *cpu, Memory *memory, VideoCard *video_card){m_cpu = cpu;m_memory = memory;m_video_card = video_card;}void assemble(){m_cpu->calculate();m_memory->storage();m_video_card->display();}// 释放堆区内存~Computer(){if (m_cpu != NULL){delete m_cpu;m_cpu = NULL;}if (m_memory != NULL){delete m_memory;m_memory = NULL;}if (m_video_card != NULL){delete m_video_card;m_video_card = NULL;}}
private:Cpu *m_cpu;Memory *m_memory;VideoCard *m_video_card;
};void test01()
{Cpu *intel_cpu = new IntelCpu;Memory *samsung_memory = new SamsungMemory;VideoCard* amd_video_card = new AmdVideoCard;Computer *com1 = new Computer(intel_cpu, samsung_memory, amd_video_card);com1->assemble();delete com1;
}void test02()
{Cpu* amd_cpu = new AmdCpu;Memory* micron_memory = new MicronMemory;VideoCard* amd_video_card = new AmdVideoCard;Computer* com1 = new Computer(amd_cpu, micron_memory, amd_video_card);com1->assemble();delete com1;
}int main()
{cout << "\n-------- 第 1 台电脑组装 --------" << endl;test01();cout << "\n-------- 第 2 台电脑组装 --------" << endl;test02();system("pause");return 0;
}result:
-------- 第 1 台电脑组装 --------
intel cpu calculate.
samsung memory save data.
amd video card display.-------- 第 2 台电脑组装 --------
amd cpu calculate.
micron memory save data.
amd video card display.

注意：部门内容来自黑马视频课程