C++ — 继承、重载&多态

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C++ 继承

面向对象程序设计中最重要的一个概念是继承。继承允许我们依据另一个类来定义一个类，这使得创建和维护一个应用程序变得更容易。这样做，也达到了重用代码功能和提高执行时间的效果。

文中示例代码gayhub传送门

当创建一个类时，您不需要重新编写新的数据成员和成员函数，只需指定新建的类继承了一个已有的类的成员即可。这个已有的类称为基类，新建的类称为派生类。

继承代表了 is a 关系。例如，哺乳动物是动物，狗是哺乳动物，因此，狗是动物，等等。

基类 & 派生类

一个类可以派生自多个类，这意味着，它可以从多个基类继承数据和函数。定义一个派生类，我们使用一个类派生列表来指定基类。类派生列表以一个或多个基类命名，形式如下：

class derived-class: access-specifier base-class

其中，访问修饰符 access-specifier 是 public、protected 或 private 其中的一个，base-class 是之前定义过的某个类的名称。如果未使用访问修饰符 access-specifier，则默认为 private。

假设有一个基类 Shape，Rectangle 是它的派生类，如下所示：

class Shape {
public:
    void setWidth(int w) {
        width = w;
    }

    void setHeight(int h) {
        height = h;
    }

protected:
    int width;
    int height;
};

// 派生类
class Rectangle: public Shape
{
public:
    int getArea()
    {
        return (width * height);
    }
};

void set_print_inherit(){
    Rectangle rectangle;
    rectangle.setHeight(20);
    rectangle.setWidth(12);
    int area=rectangle.getArea();
    cout<<"rectangle total  area is :"<<area<<endl;
}

打印如下：

rectangle total  area is :240

访问控制和继承

派生类可以访问基类中所有的非私有成员。因此基类成员如果不想被派生类的成员函数访问，则应在基类中声明为 private。

我们可以根据访问权限总结出不同的访问类型，如下所示：

访问 public protected private
同一个类 yes yes yes
派生类 yes yes no
外部的类 yes no no

一个派生类继承了所有的基类方法，但下列情况除外：

  • 基类的构造函数、析构函数和拷贝构造函数。
  • 基类的重载运算符。
  • 基类的友元函数。

继承类型

当一个类派生自基类，该基类可以被继承为 public、protected 或 private 几种类型。继承类型是通过上面讲解的访问修饰符 access-specifier 来指定的。

我们几乎不使用 protected 或 private 继承，通常使用 public 继承。当使用不同类型的继承时，遵循以下几个规则：

  • 公有继承（public）：当一个类派生自公有基类时，基类的公有成员也是派生类的公有成员，基类的保护成员也是派生类的保护成员，基类的私有成员不能直接被派生类访问，但是可以通过调用基类的公有和保护成员来访问。
  • 保护继承（protected）： 当一个类派生自保护基类时，基类的公有和保护成员将成为派生类的保护成员。
  • 私有继承（private）：当一个类派生自私有基类时，基类的公有和保护成员将成为派生类的私有成员。

多继承

多继承即一个子类可以有多个父类，它继承了多个父类的特性。

C++ 类可以从多个类继承成员，语法如下：

class <派生类名>:<继承方式1><基类名1>,<继承方式2><基类名2>,…
{
<派生类类体>
};

//基类
class Shape {
public:
    void setWidth(int w) {
        width = w;
    }

    void setHeight(int h) {
        height = h;
    }

protected:
    int width;
    int height;
};
// 基类 PaintCost
class PaintCost
{
public:
    int getCost(int area)
    {
        return area * 12;
    }
};
// 派生类
class Rectangle: public Shape,public PaintCost
{
public:
    int getArea()
    {
        return (width * height);
    }
};

void set_print_inherit(){
    Rectangle rectangle;
    rectangle.setHeight(20);
    rectangle.setWidth(12);
    int area=rectangle.getArea();
    cout<<"rectangle total  area is :"<<area<<endl;
    cout<<"rectangle getCost   is :"<<rectangle.getCost(area)<<endl;
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

rectangle total  area is :240
rectangle getCost   is :2880

另外多继承(环状继承),A->D, B->D, C->(A，B)，例如：

class D{......};
class B: public D{......};
class A: public D{......};
class C: public B, public A{.....};

这个继承会使D创建两个对象,要解决上面问题就要用虚拟继承格式

格式：class 类名: virtual 继承方式 父类名

class D{......};
class B: virtual public D{......};
class A: virtual public D{......};
class C: public B, public A{.....};

虚继承--（在创建对象的时候会创建一个虚表）在创建父类对象的时候

A:virtual public D
B:virtual public D

C++ 重载运算符和重载函数

C++ 允许在同一作用域中的某个函数和运算符指定多个定义，分别称为函数重载和运算符重载。

重载声明是指一个与之前已经在该作用域内声明过的函数或方法具有相同名称的声明，但是它们的参数列表和定义（实现）不相同。

当您调用一个重载函数或重载运算符时，编译器通过把您所使用的参数类型与定义中的参数类型进行比较，决定选用最合适的定义。选择最合适的重载函数或重载运算符的过程，称为重载决策。

C++ 中的函数重载

在同一个作用域内，可以声明几个功能类似的同名函数，但是这些同名函数的形式参数（指参数的个数、类型或者顺序）必须不同。您不能仅通过返回类型的不同来重载函数。

下面的实例中，同名函数 print() 被用于输出不同的数据类型：


#include <iostream>
using namespace std;
 
class printData
{
   public:
      void print(int i) {
        cout << "整数为: " << i << endl;
      }
 
      void print(double  f) {
        cout << "浮点数为: " << f << endl;
      }
 
      void print(char c[]) {
        cout << "字符串为: " << c << endl;
      }
};
 
int main(void)
{
   printData pd;
 
   // 输出整数
   pd.print(5);
   // 输出浮点数
   pd.print(500.263);
   // 输出字符串
   char c[] = "Hello C++";
   pd.print(c);
 
   return 0;
}

C++ 中的运算符重载

您可以重定义或重载大部分 C++ 内置的运算符。这样，您就能使用自定义类型的运算符。

重载的运算符是带有特殊名称的函数，函数名是由关键字 operator 和其后要重载的运算符符号构成的。与其他函数一样，重载运算符有一个返回类型和一个参数列表。

Box operator+(const Box&);

声明加法运算符用于把两个 Box 对象相加，返回最终的 Box 对象。大多数的重载运算符可被定义为普通的非成员函数或者被定义为类成员函数。如果我们定义上面的函数为类的非成员函数，那么我们需要为每次操作传递两个参数，如下所示：

Box operator+(const Box&, const Box&);

下面的实例使用成员函数演示了运算符重载的概念。在这里，对象作为参数进行传递，对象的属性使用 this 运算符进行访问，如下所示(借用上节代码并做修改)：

class Box {
public:
    double length;         // 长度
    double breadth;        // 宽度
    double height;         // 高度

    friend void printBreadth(Box box) {// 请注意：printWidth() 不是任何类的成员函数
        /** 因为 printWidth() 是 Box 的友元，它可以直接访问该类的任何成员 */
        cout << "breadth of box : " << box.breadth << endl;
    }

    int compare(Box box) {
        return this->getVolume() > box.getVolume();
    }

    double getVolume(void)  // 返回体积
    {
        return length * breadth * height;
    }

    double getLength() const {
        return length;
    }

    void setLength(double length) {
        Box::length = length;
    }

    double getBreadth() const {
        return breadth;
    }

    void setBreadth(double breadth) {
        Box::breadth = breadth;
    }

    double getHeight() const {
        return height;
    }

    void setHeight(double height) {
        Box::height = height;
    }
    // 重载 + 运算符，用于把两个 Box 对象相加
    Box operator+(const Box& b)
    {
        Box box;
        box.length = this->length + b.length;
        box.breadth = this->breadth + b.breadth;
        box.height = this->height + b.height;
        return box;
    }
};

void set_print_boxes() {
    Box Box1;                // 声明 Box1，类型为 Box
    Box Box2;                // 声明 Box2，类型为 Box
    Box Box3;                // 声明 Box3，类型为 Box
    double volume = 0.0;     // 用于存储体积
    Box *ptrBox;                // Declare pointer to a class.

    // box 1 详述
    Box1.setLength(6.0);
    Box1.setBreadth(7.0);
    Box1.setHeight(5.0);

    // box 2 详述
    Box2.setLength(12.0);
    Box2.setBreadth(13.0);
    Box2.setHeight(10.0);

    ptrBox = &Box1;
    cout << "ptrBox getVolume is :" << ptrBox->getVolume() << endl;

    // box 1 的体积
    volume = Box1.getVolume();
    cout << "Box1 getVolume is :" << volume << endl;
    printBreadth(Box1);

    // box 2 的体积
    volume = Box2.getVolume();
    cout << "Box2 getVolume is :" << volume << endl;
    if (Box1.compare(Box2)) {
        cout << "Box2 is smaller than Box1" << endl;
    } else {
        cout << "Box2 is equal to or larger than Box1" << endl;
    }
    Box3 = Box1 + Box2;
    // box 3 的体积
    volume = Box3.getVolume();
    cout << "Box3 getVolume is :" << volume << endl;

}

打印结果如下;

ptrBox getVolume is :210
Box1 getVolume is :210
breadth of box : 7
Box2 getVolume is :1560
Box2 is equal to or larger than Box1
Box3 getVolume is :5400

可重载运算符/不可重载运算符

下面是可重载的运算符列表：

双目算术运算符 + (加)，-(减)，*(乘)，/(除)，% (取模)
关系运算符 ==(等于)，!= (不等于)，< (小于)，> (大于>，<=(小于等于)，>=(大于等于)
逻辑运算符 ||(逻辑或)，&&(逻辑与)，!(逻辑非)
单目运算符 + (正)，-(负)，*(指针)，&(取地址)
自增自减运算符 ++(自增)，--(自减)
位运算符 | (按位或)，& (按位与)，~(按位取反)，^(按位异或),，<< (左移)，>>(右移)
赋值运算符 =, +=, -=, *=, /= , % = , &=, |=, ^=, <<=, >>=
空间申请与释放 new, delete, new[ ] , delete[]
其他运算符 ()(函数调用)，->(成员访问)，,(逗号)，

下面是不可重载的运算符列表：

  • .：成员访问运算符
  • ., ->：成员指针访问运算符
  • ::：域运算符
  • sizeof：长度运算符
  • ?:：条件运算符
  • #： 预处理符号

值得注意的是:

  • 1、运算重载符不可以改变语法结构。
  • 2、运算重载符不可以改变操作数的个数。
  • 3、运算重载符不可以改变优先级。
  • 4、运算重载符不可以改变结合性。

C++ 多态

多态按字面的意思就是多种形态。当类之间存在层次结构，并且类之间是通过继承关联时，就会用到多态。

C++ 多态意味着调用成员函数时，会根据调用函数的对象的类型来执行不同的函数。

下面的实例中，基类 Shape 被派生为两个类，如下所示：

//基类
class Shape {
public:
    void setWidth(int w) {
        width = w;
    }

    void setHeight(int h) {
        height = h;
    }

public:
    Shape(int a = 0, int b = 0) {
        width = a;
        height = b;
    }

    virtual int getArea() {
        cout << "Parent class area :" << endl;
        return 0;
    }

protected:
    int width;
    int height;
};

// 基类 PaintCost
class PaintCost {
public:
    int getCost(int area) {
        return area * 12;
    }
};

// 派生类
class Rectangle : public Shape, public PaintCost {
public:
    Rectangle(int a = 0, int b = 0) : Shape(a, b) {}

    int getArea() {
        cout << "Rectangle class area :" << (width * height) << endl;
        return (width * height);
    }
};

class Triangle : public Shape {
public:
    Triangle(int a = 0, int b = 0) : Shape(a, b) {}

    int getArea() {
        cout << "Triangle class area :" << (width * height / 2) << endl;
        return (width * height / 2);
    }
};

void set_print_polymorphism() {
    Shape *shape;
    Rectangle rec(10, 7);
    Triangle tri(10, 5);

    // 存储矩形的地址
    shape = &rec;
    // 调用矩形的求面积函数 area
    shape->getArea();

    // 存储三角形的地址
    shape = &tri;
    // 调用三角形的求面积函数 area
    shape->getArea();
}

打印结果：

Rectangle class area :70
Triangle class area :25

如果不加virtual，会导致错误输出，调用函数 area() 被编译器设置为基类中的版本，这就是所谓的静态多态，或静态链接 - 函数调用在程序执行前就准备好了。有时候这也被称为早绑定，因为 area() 函数在程序编译期间就已经设置好了。

虚函数

虚函数 是在基类中使用关键字 virtual 声明的函数。在派生类中重新定义基类中定义的虚函数时，会告诉编译器不要静态链接到该函数。

我们想要的是在程序中任意点可以根据所调用的对象类型来选择调用的函数，这种操作被称为动态链接，或后期绑定。

纯虚函数

您可能想要在基类中定义虚函数，以便在派生类中重新定义该函数更好地适用于对象，但是您在基类中又不能对虚函数给出有意义的实现，这个时候就会用到纯虚函数。

我们可以把基类中的虚函数 area() 改写如下：


class Shape {
   protected:
      int width, height;
   public:
      Shape( int a=0, int b=0)
      {
         width = a;
         height = b;
      }
      // pure virtual function
      virtual int area() = 0;
};

= 0 告诉编译器，函数没有主体，上面的虚函数是纯虚函数。

1、纯虚函数声明如下： virtual void funtion1()=0; 纯虚函数一定没有定义，纯虚函数用来规范派生类的行为，即接口。包含纯虚函数的类是抽象类，抽象类不能定义实例，但可以声明指向实现该抽象类的具体类的指针或引用。

2、虚函数声明如下：virtual ReturnType FunctionName(Parameter) 虚函数必须实现，如果不实现，编译器将报错，错误提示为：

error LNK****: unresolved external symbol "public: virtual void __thiscall ClassName::virtualFunctionName(void)"

3、对于虚函数来说，父类和子类都有各自的版本。由多态方式调用的时候动态绑定。

4、实现了纯虚函数的子类，该纯虚函数在子类中就编程了虚函数，子类的子类即孙子类可以覆盖该虚函数，由多态方式调用的时候动态绑定。

5、虚函数是C++中用于实现多态(polymorphism)的机制。核心理念就是通过基类访问派生类定义的函数。

6、在有动态分配堆上内存的时候，析构函数必须是虚函数，但没有必要是纯虚的。

7、友元不是成员函数，只有成员函数才可以是虚拟的，因此友元不能是虚拟函数。但可以通过让友元函数调用虚拟成员函数来解决友元的虚拟问题。

8、析构函数应当是虚函数，将调用相应对象类型的析构函数，因此，如果指针指向的是子类对象，将调用子类的析构函数，然后自动调用基类的析构函数。

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