「C++系列」多态

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一、多态

C++中的多态性（Polymorphism）是一种面向对象编程的特性，它允许我们通过基类指针或引用调用派生类的方法。多态性主要分为两种：编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）。在C++中，我们通常关注的是运行时多态，它通过虚函数（virtual functions）和抽象基类（abstract base classes）实现。

1. 虚函数（Virtual Functions）

虚函数是实现多态的基础。当一个基类中的函数被声明为虚函数时，任何从这个基类派生出的子类都可以重写（override）这个函数。通过基类指针或引用调用虚函数时，如果指针或引用实际指向的是派生类的对象，那么调用的将是派生类中的重写版本，而不是基类中的原始版本。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
    
    
public:
    virtual void show() {
    
    
        cout << "Base class show()" << endl;
    }
    virtual ~Base() {
    
    } // 虚析构函数，确保通过基类指针删除派生类对象时，能调用到派生类的析构函数
};

class Derived : public Base {
    
    
public:
    void show() override {
    
     // override关键字是C++11引入的，用于明确表示意图，不是必需的
        cout << "Derived class show()" << endl;
    }
};

int main() {
    
    
    Base* bptr;
    Derived d;
    bptr = &d;
    bptr->show(); // 输出：Derived class show()，因为bptr实际指向Derived类的对象
    return 0;
}

2. 抽象基类（Abstract Base Classes, ABCs）

抽象基类是一种特殊的类，它至少包含一个纯虚函数（Pure Virtual Functions）。纯虚函数是在函数声明后加上= 0来定义的，它要求任何从该基类派生的类都必须实现这个函数。抽象基类不能被实例化，因为它至少有一个函数是未定义的。

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
    
    
public:
    virtual void draw() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() {
    
    }
};

class Circle : public Shape {
    
    
public:
    void draw() const override {
    
    
        cout << "Drawing Circle" << endl;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
    
    
public:
    void draw() const override {
    
    
        cout << "Drawing Rectangle" << endl;
    }
};

int main() {
    
    
    Shape* shape1 = new Circle();
    Shape* shape2 = new Rectangle();
    shape1->draw(); // 调用Circle的draw()
    shape2->draw(); // 调用Rectangle的draw()

    delete shape1;
    delete shape2;
    return 0;
}

二、多态应用场景

C++中的多态性主要用于实现接口的统一性，使得不同类的对象可以通过相同的接口（即基类中的虚函数）来执行各自特有的操作。这种特性在多种应用场景中都非常有用，比如图形界面编程、事件处理、数据库操作等。下面我将给出一个具体的案例代码，展示多态性在图形界面编程中的应用。

1. 图形绘制系统

假设我们有一个图形绘制系统，需要支持多种图形的绘制，如圆形、矩形、三角形等。每种图形都有自己的绘制方法，但我们希望通过一个统一的接口来调用这些绘制方法。

2. 案例代码

首先，我们定义一个Shape基类，它包含一个纯虚函数draw()，表示图形的绘制方法。然后，我们定义几个派生类，如Circle、Rectangle和Triangle，它们分别继承自Shape类并实现draw()方法。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

// 抽象基类
class Shape {
    
    
public:
    virtual void draw() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() {
    
    } // 虚析构函数
};

// 圆形类
class Circle : public Shape {
    
    
public:
    void draw() const override {
    
    
        std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;
    }
};

// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
    
    
public:
    void draw() const override {
    
    
        std::cout << "Drawing Rectangle" << std::endl;
    }
};

// 三角形类
class Triangle : public Shape {
    
    
public:
    void draw() const override {
    
    
        std::cout << "Drawing Triangle" << std::endl;
    }
};

// 图形绘制系统
class GraphicsSystem {
    
    
private:
    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes; // 使用智能指针管理资源

public:
    void addShape(std::unique_ptr<Shape> shape) {
    
    
        shapes.push_back(std::move(shape));
    }

    void drawAllShapes() const {
    
    
        for (const auto& shape : shapes) {
    
    
            shape->draw(); // 多态调用
        }
    }
};

int main() {
    
    
    GraphicsSystem gs;

    // 添加图形到系统中
    gs.addShape(std::make_unique<Circle>());
    gs.addShape(std::make_unique<Rectangle>());
    gs.addShape(std::make_unique<Triangle>());

    // 绘制所有图形
    gs.drawAllShapes();

    return 0;
}

3. 解释

1. 基类与派生类：Shape是基类，定义了所有图形都应该有的draw()方法（纯虚函数）。Circle、Rectangle和Triangle是派生类，分别实现了draw()方法。
2. 图形绘制系统：GraphicsSystem类管理一个Shape对象的集合，并使用std::vector<std::unique_ptr<Shape>>来存储这些对象。这样做的好处是可以自动管理内存（通过智能指针），并且可以利用多态性通过基类指针或引用来调用派生类的draw()方法。
3. 多态性：在drawAllShapes()方法中，通过遍历shapes集合并使用shape->draw()来调用每个图形的draw()方法。由于draw()是虚函数，因此实际调用的是对象所属类的draw()实现。

三、虚函数、纯虚函数

C++ 中的虚函数（Virtual Functions）和纯虚函数（Pure Virtual Functions）是面向对象编程中多态性的重要组成部分。它们允许通过基类指针或引用来调用派生类中的成员函数，从而实现接口的统一性和功能的多样性。

1. 虚函数（Virtual Functions）

虚函数是基类中声明为 virtual 的成员函数。这意味着该函数在派生类中可能有不同的实现。当通过基类指针或引用调用虚函数时，如果指针或引用实际上指向的是派生类的对象，那么将调用派生类中重写（Override）的虚函数版本，而不是基类中的原始版本。

示例代码：

#include <iostream>

class Base {
    
    
public:
    virtual void show() {
    
    
        std::cout << "Base class show()" << std::endl;
    }
    virtual ~Base() {
    
    } // 虚析构函数，确保通过基类指针删除派生类对象时，能调用到派生类的析构函数
};

class Derived : public Base {
    
    
public:
    void show() override {
    
     // override是C++11的关键字，表示重写基类的虚函数
        std::cout << "Derived class show()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    
    
    Base* bptr = new Derived(); // 基类指针指向派生类对象
    bptr->show(); // 调用Derived类的show()
    delete bptr; // 释放内存
    return 0;
}

2. 纯虚函数（Pure Virtual Functions）

纯虚函数是在基类中声明为 virtual 并使用 = 0 语法定义的函数。纯虚函数没有函数体（即没有大括号内的实现代码），并且要求任何从该基类派生的类都必须提供该函数的实现，除非该派生类也是抽象类（即也包含纯虚函数）。包含纯虚函数的类被称为抽象基类（Abstract Base Class, ABC），它不能被实例化。

示例代码：

#include <iostream>

class Shape {
    
    
public:
    virtual void draw() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() {
    
    } // 虚析构函数
};

class Circle : public Shape {
    
    
public:
    void draw() const override {
    
    
        std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;
    }
};

int main() {
    
    
    // Shape s; // 错误，Shape是抽象类，不能实例化
    Circle c;
    c.draw(); // 调用Circle的draw()
    return 0;
}

• 虚函数：允许在派生类中重写，通过基类指针或引用调用时，实际调用的是派生类中的实现。
• 纯虚函数：没有实现体，强制要求派生类提供实现，包含纯虚函数的类不能被实例化。

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