从C向C++8——多态

一.多态基础

面向对象程序设计语言有封装、继承和多态三种机制，这三种机制能够有效提高程序的可读性、可扩充性和可重用性。

“多态（polymorphism）”指的是同一名字的事物可以完成不同的功能。多态可以分为编译时的多态和运行时的多态。前者主要是指函数的重载（包括运算符的重载）、对重载函数的调用，在编译时就能根据实参确定应该调用哪个函数，因此叫编译时的多态；而后者则和继承、虚函数等概念有关。

1.多态

​ 我们之前知道基类的指针可以指向派生类对象，但是其中存在一个问题：通过基类指针只能访问派生类的成员变量，但是不能访问派生类的成员函数。大家可以自己写代码尝试确认，为了消除这种尴尬，让基类指针能够访问派生类的成员函数，C++增加了虚函数。使用虚函数非常简单，只需要在函数声明前面增加 virtual 关键字。

​ 有了虚函数，基类指针指向基类对象时就使用基类的成员（包括成员函数和成员变量），指向派生类对象时就使用派生类的成员。换句话说，基类指针可以按照基类的方式来做事，也可以按照派生类的方式来做事，它有多种形态，或者说有多种表现方式，我们将这种现象称为多态（Polymorphism）。

#include <iostream>
using namespace std;

//基类People
class People{
public:
    People(char *name, int age);
    virtual void display();  //声明为虚函数
protected:
    char *m_name;
    int m_age;
};
People::People(char *name, int age): m_name(name), m_age(age){}
void People::display(){
    cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，是个无业游民。"<<endl;
}

//派生类Teacher
class Teacher: public People{
public:
    Teacher(char *name, int age, int salary);
    virtual void display();  //声明为虚函数
private:
    int m_salary;
};
Teacher::Teacher(char *name, int age, int salary): People(name, age), m_salary(salary){}
void Teacher::display(){
    cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，是一名教师，每月有"<<m_salary<<"元的收入。"<<endl;
}

int main(){
    People *p = new People("王志刚", 23);
    p -> display();

    p = new Teacher("赵宏佳", 45, 8200);
    p -> display();

    return 0;
}

​ 上面的代码中，同样是p->display();这条语句，当 p 指向不同的对象时，它执行的操作是不一样的。同一条语句可以执行不同的操作，看起来有不同表现方式，这就是多态。多态是面向对象编程的主要特征之一，C++中虚函数的唯一用处就是构成多态。

​ C++提供多态的目的是：可以通过基类指针对所有派生类（包括直接派生和间接派生）的成员变量和成员函数进行“全方位”的访问，尤其是成员函数。如果没有多态，我们只能访问成员变量。

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

2.引用实现多态

引用在本质上是通过指针的方式实现的，既然借助指针可以实现多态，那么我们就有理由推断：借助引用也可以实现多态。

修改上例中 main() 函数内部的代码，用引用取代指针：

int main(){
    People p("王志刚", 23);
    Teacher t("赵宏佳", 45, 8200);
   
    People &rp = p;
    People &rt = t;
   
    rp.display();
    rt.display();
    return 0;
}

运行结果：
王志刚今年23岁了，是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了，是一名教师，每月有8200元的收入。

​ 由于引用类似于常量，只能在定义的同时初始化，并且以后也要从一而终，不能再引用其他数据，所以本例中必须要定义两个引用变量，一个用来引用基类对象，一个用来引用派生类对象。从运行结果可以看出，当基类的引用指代基类对象时，调用的是基类的成员，而指代派生类对象时，调用的是派生类的成员。

​ 不过引用不像指针灵活，指针可以随时改变指向，而引用只能指代固定的对象，在多态性方面缺乏表现力，所以以后我们再谈及多态时一般是说指针。

3.多态剖析

我们知道一个空类在C++中的大小是1，如果一个类只含有成员函数，它近似于一个空类，如果使用sizeof()关键字计算其大小，其结果是1。

那么就上面的例子，现在我们计算People类的大小，应该为56字节，其中string为40字节，而隐含的vfptr在x64环境下为8字节，分析以下Teachar的大小为64字节，注意VS的默认情况下是对齐方式的。

4.虚函数注意事项

C++虚函数对于运行时多态具有决定性的作用，有虚函数才能构成多态。

  1. 只需要在虚函数的声明处加上 virtual 关键字，函数定义处可以加也可以不加。

  2. 为了方便，你可以只将基类中的函数声明为虚函数，这样所有派生类中具有遮蔽关系的同名函数都将自动成为虚函数。

  3. 当在基类中定义了虚函数时，如果派生类没有定义新的函数来遮蔽此函数，那么将使用基类的虚函数。

  4. 只有派生类的虚函数覆盖基类的虚函数（函数原型相同）才能构成多态（通过基类指针访问派生类函数）。例如基类虚函数的原型为virtual void func();，派生类虚函数的原型为virtual void func(int);，那么当基类指针 p 指向派生类对象时，语句p -> func(100);将会出错，而语句p -> func();将调用基类的函数。

  5. **构造函数不能是虚函数。**对于基类的构造函数，它仅仅是在派生类构造函数中被调用，这种机制不同于继承。也就是说，派生类不继承基类的构造函数，将构造函数声明为虚函数没有什么意义。

  6. 析构函数可以声明为虚函数，而且有时候必须要声明为虚函数。

二.虚函数

1.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 (函数参数) = 0;

当类中只要有了一个纯虚函数，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

2.虚析构

问题：多态使用时，如果在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子类的析构代码。

方法：将父类的析构函数改为虚析构或纯虚析构。

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

3.虚函数表

编译器之所以能通过基类指针指向的对象找到虚函数，是因为在创建对象时额外地增加了虚函数表。

如果一个类包含了虚函数，那么在创建该类的对象时就会额外地增加一个数组，数组中的每一个元素都是虚函数的入口地址。不过数组和对象是分开存储的，为了将对象和数组关联起来，编译器还要在对象中安插一个指针，指向数组的起始位置。这里的数组就是虚函数表（Virtual function table），简写为vtable。

其中某一多态的内存模型图，如图所示：

在这里插入图片描述

图中左半部分是对象占用的内存，右半部分是虚函数表 vtable。在对象的开头位置有一个指针 vfptr，指向虚函数表，并且这个指针始终位于对象的开头位置。

当通过指针调用虚函数时，先根据指针找到 vfptr，再根据 vfptr 找到虚函数的入口地址。

三.多态案例练习1

1.要求

写一个简单计算器。

2.实验代码

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

//基类
class Calculate {
public:
    int m_num1;
    int m_num2;
    //虚函数
    virtual int getresult() {
        return 0;
    }
};

//加法类计算器
class AddCalculate :public Calculate {
    int getresult() {
        return m_num1 + m_num2;
    }
};

//减法计算器
class SubCalculate :public Calculate {
    int getresult() {
        return m_num1 - m_num2;
    }
};


//乘法计算器
class MulCalculate :public Calculate {
    int getresult() {
        return m_num1 * m_num2;
    }
};


//除法计算器
class DivCalculate :public Calculate {
    int getresult() {
        return m_num1 / m_num2;
    }
};
int main() {

    Calculate* p = new AddCalculate;
    p->m_num1 = 20;
    p->m_num2 = 10;
    cout << p->m_num1 << "+" << p->m_num2 << "=" << p->getresult() << endl;

    return 0;
}

3.总结

多态的优点

  • 代码组织结构清晰
  • 可读性强
  • 利于前期和后期的扩展以及维护

四.多态案例练习2

1.题目

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 。

在这里插入图片描述

2.实验代码

#include<iostream>
using namespace std;

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

//抽象显卡类
class VideoCard
{
public:
	//抽象的显示函数
	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, VideoCard * vc, Memory * mem)
	{
		m_cpu = cpu;
		m_vc = vc;
		m_mem = mem;
	}

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

		m_vc->display();

		m_mem->storage();
	}

	//提供析构函数 释放3个电脑零件
	~Computer()
	{

		//释放CPU零件
		if (m_cpu != NULL)
		{
			delete m_cpu;
			m_cpu = NULL;
		}

		//释放显卡零件
		if (m_vc != NULL)
		{
			delete m_vc;
			m_vc = NULL;
		}

		//释放内存条零件
		if (m_mem != NULL)
		{
			delete m_mem;
			m_mem = NULL;
		}
	}

private:

	CPU * m_cpu; //CPU的零件指针
	VideoCard * m_vc; //显卡零件指针
	Memory * m_mem; //内存条零件指针
};

//具体厂商
//Intel厂商
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厂商
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;

	cout << "第一台电脑开始工作：" << endl;
	//创建第一台电脑
	Computer * computer1 = new Computer(intelCpu, intelCard, intelMem);
	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 LenovoVideoCard, 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 IntelVideoCard, new LenovoMemory);;
	computer3->work();
	delete computer3;

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