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C++类和对象-继承多态

news 2025/9/16 17:21:48

继承

继承是面向对象三大特性之一
定义类时，下级别的成员除了拥有上一级的共性，还有自己的特性，就可以考虑使用继承的技术，减少代码的重复

继承的基本语法

语法：class 子类 : 继承方式父类

子类也被成为派生类
父类也被称为基类

class A
{
public:string name;
};
class B :public A
{
public:int age;
};
int main()
{B b;b.name = "张三";b.age = 10;cout << b.name << b.age << endl;return 0;
}

继承方式

继承方式一共有三种：

公共继承
- 访问权限不变
保护继承
- 除私有内容外，都变为保护权限
私有继承
- 除私有内容外，都变为私有权限

父类中的私有内容，三种继承方法都无法访问

class A
{
public:int a;
protected:int b;
private:int c;
};
class B :public A//公共继承
{};
class C :protected A//保护继承
{};
class D :private A//私有继承
{};

继承中的对象模型

父类中所有非静态成员属性都会被子类继承下去
父类中私有的成员属性，是被编译器给隐藏了，因此是访问不到，但是确实被继承下去了
利用开发人员命令提示工具查看对象模型：

跳转盘符：盘符:
跳转文件路径：cd 具体路径下
查看命名：dir
报告单个类的布局：cl /d1 reportSingleClassLayout类名文件名

文件名可按Tap建自动补齐

class A
{
public:int a;
protected:int b;
private:int c;
};
class B :public A//公共继承
{int c;
};

class B size(16):+---0      | +--- (base class A)0      | | a4      | | b8      | | c| +---
12      | c+---

继承中构造和析构顺序

先调用父类构造函数，再调用子类构造函数，析构顺序与构造相反

继承同名成员处理方式

子类对象可以直接访问到子类中的同名成员
子类对象加作用域可以访问到父类同名成员
当子类与父类拥有同名的成员函数，子类会隐藏父类中所有同名成员函数，加作用域可以访问到父类中同名函数

class A
{
public:void test(){cout << "A" << endl;}
};
class B :public A//公共继承
{
public:void test(){cout << "B" << endl;}
};
int main()
{B b;b.test();b.A::test();return 0;
}

继承同名静态成员处理方式

静态成员跟非静态成员出现同名，处理方法一致，只不过有两种处理方法：

通过对象.
通过类名::

class A
{
public:static string a;
};
class B :public A//公共继承
{
public:static string a;
};
//类内声明，类外初始化
string B::a = "B";
string B::A::a = "A";
int main()
{//通过对象访问B b;cout << b.a << endl;cout << b.A::a << endl;//通过类名访问cout << B::a << endl;//第一个::表示通过类名方式访问，第二个::代表访问父类作用域下cout << B::A::a << endl;return 0;
}

多继承语法

C++允许一个类继承多个类
语法：class 子类 : 继承方式父类1 , 继承方式父类2...
多继承可能会引发父类中有同名成员出现，需要加作用域区分
C++实际开发中不建议用多继承

class A
{
public:int a;
};
class B
{
public:int a;
};
class C :public A, public B
{
};
int main()
{C c;c.A::a = 10;c.B::a = 20;cout << c.A::a << endl;cout << c.B::a << endl;return 0;
}

菱形继承

菱形继承概念：

两个派生类继承同一个基类
又有某个类同时继承这两个派生类
这种继承被称为菱形继承，也被称为钻石继承

典型的菱形继承问题：

菱形继承问题：子类继承两份相同的数据，导致资源浪费以及毫无意义

羊继承了动物的数据，驼也继承了动物的数据，当羊驼使用数据时，就会产生二义性
羊驼继承自动物的数据继承了两份，只需要一份就可以

利用虚继承，解决菱形继承的问题：

继承之前，加上关键字virtual变为虚继承
公共的父类被称为虚基类

class A
{
public:int a;
};
//A为虚基类
class B :virtual public A{};
class C :virtual public A{};
class D:public B,public C{};
int main()
{D d;d.a = 10;cout << d.a << endl;return 0;
}

vbptr虚基类指针：

v-virtual
b-base
ptr-pointer

虚基类指针指向vbtable虚基类表

实际继承了两个指针，通过偏移量，找到那份唯一的数据

class D size(24):+---0      | +--- (base class B)0      | | {vbptr}| | <alignment member> (size=4)| +---8      | +--- (base class C)8      | | {vbptr}| | <alignment member> (size=4)| +---| <alignment member> (size=4)+---+--- (virtual base A)
16      | a+---D::$vbtable@B@:0      | 01      | 16 (Dd(B+0)A)D::$vbtable@C@:0      | 01      | 8 (Dd(C+0)A)
vbi:       class  offset o.vbptr  o.vbte fVtorDispA      16       0       4 0

多态

多态的基本语法

多态分为两类：

静态多态：函数重载和运算符重载属于静态多态，复用函数名
动态多态：派生类和虚函数实现运行时多态

静态多态和动态多态区别：

静态多态的函数地址早绑定：编译阶段确定函数地址
动态多态的函数地址晚绑定：运行阶段确定函数地址

动态多态满足条件：

有继承关系
子类要重写父类的虚函数
使用父类的指针或引用，执行子类对象

重写不同于函数重载：

函数返回值类型、函数名、参数列表完全相同

C++中父子之间的类型转换不需要做强制类型转换，父类的指针或引用可以直接指向子类对象

class A
{
public://虚函数virtual void test(){cout << "A" << endl;}
};
class B :public A
{
public:void test(){cout << "B" << endl;}
};
void test(A& a)
{a.test();
}
int main()
{B b;test(b);//A & a = b;return 0;
}

多态的原理剖析

class A size(8):+---0      | {vfptr}+---A::$vftable@:| &A_meta|  00      | &A::test
class B size(8):+---0      | +--- (base class A)0      | | {vfptr}| +---+---B::$vftable@:| &B_meta|  00      | &B::test

vfptr虚函数（表）指针：

v-virtual
f-function
ptr-pointer
指向vftable虚函数表
- 表内记录虚函数地址&A::test

当子类重写父类虚函数，子类中的虚函数表，内部会替换成子类的虚函数地址

多态案例-计算器类

案例描述：分别利用普通写法和多态技术，设计实现两个操作数进行运算的计算器类。
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和维护

在真实开发中，提倡开闭原则：

对拓展进行开放
对修改进行关闭

#include <iostream>
using namespace std;
//实现计算器抽象类
class Abstract
{
public:virtual int result(){return 0;}int m_num1;int m_num2;
};
//实现计算器加法类
class add :public Abstract
{
public:virtual int result(){return m_num1 + m_num2;}
};
//实现减法类
class subtraction :public Abstract
{
public:virtual int result(){return m_num1 - m_num2;}
};
int main()
{//父类指针指向子类对象Abstract* a = new add;a->m_num1 = 10;a->m_num2 = 10;cout << a->result() << endl;//用完记得销毁delete a;//a不需要再定义和初始化a = new subtraction;a->m_num1 = 10;a->m_num2 = 10;cout << a->result() << endl;return 0;
}

纯虚函数和抽象类

在多态中，通常父类中的虚函数实现是毫无意义的，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(参数列表) = 0;
当类中有了纯虚函数，这个类也称为抽象类，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

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

#include <iostream>
using namespace std;
class AbstractDrinking
{
public:virtual void Boil() = 0;//煮水virtual void Brew() = 0;//冲泡virtual void PourInCup() = 0;//倒入杯中virtual void PutSomeThing() = 0;//添加佐料void MakeDrink()//制作饮品{Boil();Brew();PourInCup();PutSomeThing();}};
class Coffee :public AbstractDrinking
{virtual void Boil(){cout << "煮矿泉水" << endl;}virtual void Brew(){cout << "冲泡咖啡" << endl;}virtual void PourInCup(){cout << "倒入杯中" << endl;}virtual void PutSomeThing(){cout << "添加牛奶" << endl;}
};
class Tea :public AbstractDrinking
{virtual void Boil(){cout << "煮矿泉水" << endl;}virtual void Brew(){cout << "冲泡茶叶" << endl;}virtual void PourInCup(){cout << "倒入杯中" << endl;}virtual void PutSomeThing(){cout << "添加枸杞" << endl;}
};
void dowork(AbstractDrinking *a)
{a->MakeDrink();delete a;
}
int main()
{AbstractDrinking* a = new Tea;dowork(a);return 0;
}

虚析构和纯虚析构

多态使用时，如果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到子类的析构代码
解决方法：将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构
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

虚析构语法：virtual ~类名() {};
纯虚析构语法：virtual ~类名() = 0;
总结：

虚析构和纯虚析构是用来解决通过父类指针释放子类对象
如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构和纯虚析构
拥有纯虚析构的类也属于抽象类

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A(){m_name = new string("A");}virtual void speak(){cout << *m_name << endl;}//利用虚析构可以解决父类指针释放子类对象时不干净的问题virtual ~A(){if (m_name != NULL){cout << "A析构" << endl;delete m_name;m_name = NULL;}}string* m_name;
};
class B :public A
{
public:B(){m_name = new string("B");}virtual ~B(){if (m_name != NULL){cout << "B析构" << endl;delete m_name;m_name = NULL;}}
};
int main()
{A* a = new B;//先构造父类再构造子类a->speak();//父类指针在析构时，不会调用子类中析构函数，导致子类如果有堆区属性，会导致内存泄露delete a;return 0;
}

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A(){m_name = new string("A");}virtual void speak(){cout << *m_name << endl;}//纯虚析构声明//有了纯虚析构后，这个类也属于抽象类，无法实例化对象virtual ~A() = 0;string* m_name;
};
class B :public A
{
public:B(){m_name = new string("B");}virtual ~B(){if (m_name != NULL){cout << "B析构" << endl;delete m_name;m_name = NULL;}}
};
//纯虚析构实现
A::~A()
{cout << "A纯虚析构" << endl;
}
int main()
{A* a = new B;//先构造父类再构造子类a->speak();//父类指针在析构时，不会调用子类中析构函数，导致子类如果有堆区属性，会导致内存泄露delete a;return 0;
}

多态案例-电脑组装

案例描述：

电脑主要组成部件为CPU、显卡、内存条
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
创建电脑类提供让电脑工作的函数，并且调用每个函数工作的接口
测试时组装三台不同的电脑进行工作

#include <iostream>
using namespace std;
//抽象不同零件类
//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 dispaly() = 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;}//提供析构函数，释放电脑的三个零件~Computer(){if (m_cpu != NULL){delete m_cpu;m_cpu = NULL;}if (m_vc != NULL){delete m_cpu;m_vc = NULL;}if (m_mem != NULL){delete m_cpu;m_mem = NULL;}}//提供工作函数void work(){//让零件工作起来，调用接口m_cpu->calculate();m_vc->dispaly();m_mem->storage();}
private:CPU* m_cpu;//CPU的零件指针VideoCard* m_vc;//显卡的零件指针Memory* m_mem;//内存条的零件指针
};
//具体厂商：Intel
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 dispaly(){cout << "Intel的显卡开始显示了" << endl;}
};
class IntelMemory :public Memory
{
public:virtual void storage(){cout << "Intel的内存开始存储了" << endl;}
};
//具体厂商：Lenovo
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 dispaly(){cout << "Lenovo的显卡开始显示了" << endl;}
};
class LenovoMemory :public Memory
{
public:virtual void storage(){cout << "Lenovo的内存开始存储了" << endl;}
};
int main()
{//电脑零件CPU* intelcpu = new IntelCPU;VideoCard* intervc = new IntelVideoCard;Memory* intermem = new IntelMemory;//创建第一台电脑Computer* computer1 = new Computer(intelcpu, intervc, intermem);computer1->work();delete computer1;//创建第二台电脑Computer* computer2 = new Computer(new LenovoCPU, new LenovoVideoCard, new LenovoMemory);computer2->work();delete computer2;//创建第三台电脑Computer* computer3 = new Computer(new LenovoCPU, new IntelVideoCard, new LenovoMemory);computer3->work();delete computer3;return 0;
}

继承