C++系列笔记（五）

墨明棋妙27

发布于 2022-08-24 15:23:59

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发布于 2022-08-24 15:23:59

文章被收录于专栏：1996

【导读】《21天学通C++》这本书通过大量精小短悍的程序详细而全面的阐述了C++的基本概念和技术，包括管理输入/输出、循环和数组、面向对象编程、模板、使用标准模板库以及创建C++应用程序等。这些内容被组织成结构合理、联系紧密的章节，每章都可在1小时内阅读完毕，都提供了示例程序清单，并辅以示例输出和代码分析，以阐述该章介绍的主题。本文是系列笔记的第五篇，欢迎各位阅读指正！

多态多态（Polymorphism）是面向对象语言的一种特征，让你能够以类似的方式处理不同类型的对象。 使用虚函数实现多态行为 可通过Fish指针或Fish引用访问Fish对象，这种指针或引用可指向Fish、Carp等对象。但你不需要知道也不关心它们指向的是哪种对象。可以用下面代码所示：

pFish->Swim();
myFish.Swim();

你希望通过这种指针或引用调用Swim()时，如果它们指向的是Tuna对象，则可像Tuna那样游泳，若指向的是Carp对象，则可以像Carp那样游泳，若指向的是Fish，则可像Fish那样游泳。为此，可在基类Fish中将Swim声明为虚函数;

class Base
{
    virtual ReturnType FunctionName (parameter List);
};
class Derived
{
    FunctionName (parameter List);
};

通过使用关键字virtual，可确保编译器调用覆盖版本。也就是说，如果Swim()被声明为虚函数，则将参数myFish（其类型为Fish&）设置为一个Tuna对象时，myFish.Swim()将执行Tuna::Swim()，程序如下所示：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Fish
{
public:
        virtual void Swim()
        {
               cout << "Fish swims!" << endl;
        }
};
class Tuna :public Fish
{
public:
        void Swim()
        {
               cout << "Tuna swims!" << endl;
        }
};
class Carp :public Fish
{
public:
        void Swim()
        {
               cout << "Carp swims!" << endl;
        }
};
void MakeFishSwim(Fish& InputFish)
{
        InputFish.Swim();
}
int main()
{
        Tuna myDinner;
        Carp myLunch;
        MakeFishSwim(myDinner);
        MakeFishSwim(myLunch);
        return 0;
}

输出为： Tuna swims! Carp swims! 首先，根本没有调用Fish::Swim() ，因为存在覆盖版本 Tuna::Swim()和 Carp::Swim() ，它们优先于被声明为虚函数的Fish::Swim()。这很重要，它意味着在MakeFishSwim()中，可通过Fish&参数调用派生类定义的Swim()，而无需知道该参数指向的是哪种类型的对象。这就是多态：将派生类对象视为基类对象，并执行派生类的Swim()实现。 为什么需要虚构函数 上面的代码如果加入析构函数释放内存，对于使用new在自由储存区中实例化的派生类对象，如果将其赋值给基类指针，并通过该指针调用delete，将不会调用派生类的析构函数，这可能导致资源未释放、内存泄露等问题，必须引起重视。要避免这种问题，可将基类析构函数声明为虚函数。如下面代码所示：

class Fish
{
public:
    Fish()
    {
        cout<<"construct Fish"<<endl;
    }
    virtual ~Fish()
    {
        cout<<"Destroy Fish"<<endl;
    }
};

输出还表明，无论Tuna对象是使用new在自由存储区中实例化的，还是以局部变量的方式在栈中实例化的，构造函数和析构函数的调用顺序都相同。 抽象基类和纯虚函数 不能实例化的基类被称为抽象基类，这样的基类只有一个用途，那就是从它派生出其他类。在 C++中，要创建抽象基类，可声明纯虚函数。以下述方式声明的虚函数被称为纯虚函数：

class AbstractBase
{
public:
    virtual void DoSomething()=0;  //纯虚函数
};
该声明告诉编译器， AbstractBase的派生类必须实现方法DoSomething（）;
class Derived : public AbstractBase
{
public:
    void DoSomething()
    {
        cout<<"Implemented virtual function"<<endl;
    }
};

AbstractBase类要求Derived类必须提供虚方法DoSomething()的实现。这让基类可指定派生类中方法的名称和特征（Signature），即指定派生类的接口。虽然不能实例化抽象基类，但可将指针或引用的类型指定为抽象基类。抽象基类提供了一种非常好的机制，让您能够声明所有派生类都必须实现的函数。抽象基类常被简称为ABC。ABC有助于约束程序的设计。 使用虚继承解决菱形问题

如图程序所示，如果没有使用虚继承，则会输出：

Animal constructor
Animal constructor
Animal constructor
Platypus constructor

输出表明，由于采用了多继承，且 Platypus 的全部三个基类都是从 Animal 类派生而来的，因此第38行创建Platypus实例时，自动创建了三个Animal实例。Animal 有一个整型成员——Animal::Age，为方便说明问题，将其声明成了公有的。如果您试图通过Platypus 实例访问 Animal::Age（如第 42 行所示），将导致编译错误，因为编译器不知道您要设置Mammal::Animal::Age、Bird::Animal::Age还是Reptile::Animal::Age。更可笑的是，如果您愿意，可以分别设置这三个属性：

duckBilledp.Mamal::Animal::Age=25;
duckBilledp.Bird::Animal::Age=25;
duckBilledp.Reptile::Animal::Age=25;

显然，鸭嘴兽应该只有一个Age属性，但您希望Platypus类以公有方式继承 Mammal、Bird 和Reptile。解决方案是使用虚继承。如果派生类可能被用作基类，派生它是最好使用关键字virtual：

class Derived1 : public virtual Base
{
    //members and funnctions
};
class Derived2 : public virtual Base
{
    //members and funnctions
};

在继承层次结构中，继承多个从同一个类派生而来的基类时，如果这些基类没有采用虚继承，将导致二义性。这种二义性被称为菱形问题（Diamond Problem）。其中的“菱形”可能源自类图的形状。注意：C++关键字virtual的含义随上下文而异（我想这样做的目的很可能是为了省事），对其含义总结如下：在函数声明中，virtual意味着当基类指针指向派生对象时，通过它可调用派生类的相应函数。从Base类派生出Derived1和Derived2类时，如果使用了关键字virtual，则意味着再从Derived1和Derived2派生出Derived3时，每个Derived3实例只包含一个Base实例。也就是说，关键字virtual被用于实现两个不同的概念。 可将复制构造函数声明为虚函数吗 根本不可能实现虚复制构造函数，因为在基类方法声明中使用关键字virtual时，表示它将被派生类的实现覆盖，这种多态行为是在运行阶段实现的。而构造函数只能创建固定类型的对象，不具备多态性，因此C++不允许使用虚复制构造函数。虽然如此，存在一种不错的解决方案，就是定义自己的克隆函数来实现上述目的：

虚函数Clone模拟了虚复制构造函数，但需要显式地调用，如下面程序所示：

输出为：

Tuna swims fast in the sea
Carp swims slow in the lake
Tuna swims fast in the sea
Carp swims slow in the lake

在main()中，第 40～44行声明了一个静态基类指针（Fish*'）数组，并各个元素分别设置为新创建的Tuna、Carp、Tuna和Carp对象。注意到myFishes数组能够存储不同类型的对象，这些对象都是从Fish派生而来的。这太酷了，因为为本书前面的大部分数组包含的都是相同类型的数据，如int。如果这还不够酷，您还可以在循环中使用虚函数Fish::Clone将其复制到另一个Fish*'数组（myNewFishes）中，如第48行所示。注意到这里的数组很小，只有4个元素，但即便数组长得多，复制逻辑也差别不大，只需调整循环结束条件即可。第 52 行进行了核实，它通过新数组的每个元素调用虚函数 Swim()，以验证Clone()复制了整个派生类对象。

PS：我的c++系列全部代码还有笔记都上传到github上了，欢迎star和fork。

github链接：https://github.com/xwr96/21-Day-grasped-Cpp