C++多态特性之派生与虚函数与模板详细介绍

C/C++
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2023-02-13
C/C++ 常用开发代码片段
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目录
  • 继承与派生
  • 虚函数
  • 父类代码如下
  • 模板
  • 函数模板
  • 类模板
  • 字符串

继承与派生

C ++ 是面向对象编程，那么只要面向对象，都会有多态、继承的特性。C++是如何实现继承的呢？

继承（Inheritance）可以理解为一个类从另一个类获取成员变量和成员函数的过程。例如类 B 继承于类 A，那么 B 就拥有 A 的成员变量和成员函数。

在C++中，派生（Derive） 和继承是一个概念，只是站的角度不同。继承是儿子接收父亲的产业，派生是父亲把产业传承给儿子。

被继承的类称为父类或基类，继承的类称为子类或派生类。“子类”和“父类”通常放在一起称呼，“基类”和“派生类”通常放在一起称呼。

在C++中继承称为派生类，基类孵化除了派生类,使用：来表示子类继承父类，C++中支持多继承，使用逗号分隔

class Parent {
public:
    int name;
protected:
    int code;
private:
    int num;
};
class Parent1 {
};
// C++中，:表示继承，可以多继承逗号分隔
// public/protected/private继承,对于基类起到一些保护机制 默认是private继承
class Child : public Parent, Parent1 {
    void test() {
        // 派生类可以访问到public属性和protected属性
        this->name;
        this->code;
    }
};

C++中派生类中添加了public 派生、protected派生、private派生,默认是private派生

class 派生类名:［继承方式］ 基类名{ 派生类新增加的成员 };
class Parent {
public:
    int name;
protected:
    int code;
private:
    int num;
};
class Parent1 {
};
// private私有继承
class Child1 : private Parent {
    void test() {
        this->name;
        this->code;
    }
};
// protected继承
class Child2 : protected Parent {
    void test() {
        this->name;
        this->code;
    }
};

public 派生、protected派生、private派生对于，创建的对象调用父类的属性和方法起到了限制和保护的作用

    Child child;
    child.name; // public继承。调用者可以访问到父类公有属性，私有属性访问不到的
    Child1 child1;
//    child1.name; // private继承.调用者访问不到父类公有属性和私有属性
    Child2 child2;
//    child2.name; // protected继承，调用者访问不到父类公有属性和私有属性

虚函数

重点！！！ C++的继承和java中的继承存在的不同点: 基类成员函数和派生类成员函数不构成重载

基类成员和派生类成员的名字一样时会造成遮蔽，这句话对于成员变量很好理解，对于成员函数要引起注意，不管函数的参数如何，只要名字一样就会造成遮蔽。换句话说，基类成员函数和派生类成员函数不会构成重载，如果派生类有同名函数，那么就会遮蔽基类中的所有同名函数，不管它们的参数是否一样。​

父类代码如下

#include <cstring>
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
protected:
    char *str;
public:
    Person(char *str) {
        if (str != NULL) {
            this->str = new char[strlen(str) + 1];
            strcpy(this->str, str);
        } else {
            this->str = NULL;
        }
        cout << "parent" << endl;
    }
    Person(const Person &p) {
        cout << "copy parent" << endl;
    }
    void printC() {
        cout << "parent printC" << endl;
    }
    ~Person() {
//        if (str != NULL) {
//            delete[] str; // 如果调用了这个方法只会调用一次析构函数
//        }
//        cout << "parent destroy" << endl;
    }
};

子类继承父类，并且调用父类的构造函数, 通过：来调用父类的构造函数

// 子类
class CTest : public Person {
public:
    // 调用父类的构造方法
    CTest(char *str) : Person(str) {
        cout << "child" << endl;
    }
    void printC() {
        cout << "child printC" << endl;
    }
    ~CTest() {
        cout << "child destroy " << endl;
    }
};

在C++中和Java的不同在于如下代码：只要是父类的指针都是调用的父类的方法，哪怕子类对象直接赋值给父类，也会调用父类的方法，而不会调用子类的方法。

int main() {
    Person person = CTest("jake");
    person.printC(); // parent printC
    cout << "-----------" << endl;
    Person *p = NULL;
    CTest c1("123");
    p = &c1;
    c1.printC(); // child printC
    p->printC(); // parent printC 为什么会调用的是parent的方法呢？
    return 0;
}
parent
child
copy parent
child destroy 
parent printC
-----------
parent
child
child printC
parent printC
child destroy 

哪怕通过指针传递和引用传递，只要使用的父类都会调用父类的方法

// 通过指针传递只会调用父类的方法，不会调用子类的方法
void howToPaint(Person *p) {
    p->printC();
}
// 通过引用类型，只会调用父类的方法，不会调用子类的方法
void howToPaint1(Person &p) {
    p.printC();
}
cout << "---------" << endl;
howToPaint(p); // parent printC
howToPaint(&c1); // parent printC
cout << "-------" << endl;
Person p1("123");
// 都是父类的方法
howToPaint1(p1); // parent printC
howToPaint1(c1); // parent printC
cout << "--------" << endl;
CTest c2("123");
Person p2 = c2; // 会不会调用父类的拷贝函数呢？ copy parent 会进行调用
---------
parent printC
parent printC
-------
parent
parent printC
parent printC
--------
parent
child
copy parent
child destroy 
child destroy 

这是为什么呢？

C++ 中会按照函数表的顺序进行调用，很显然父类的函数是在子类函数的前面的

那么如何调用到子类的方法呢？C ++提供了虚函数的方式，虚函数也是实现多态的关键。​

虚函数与纯虚函数，纯虚函数在java 中 abstract == 纯虚函数

实际开发中，一旦我们自己定义了析构函数，就是希望在对象销毁时用它来进行清理工作，比如释放内存、关闭文件等，如果这个类又是一个基类，那么我们就必须将该析构函数声明为虚函数，否则就有内存泄露的风险。也就是说，大部分情况下都应该将基类的析构函数声明为虚函数。

包含纯虚函数的类称为抽象类（Abstract Class）。之所以说它抽象，是因为它无法实例化，也就是无法创建对象。原因很明显，纯虚函数没有函数体，不是完整的函数，无法调用，也无法为其分配内存空间。

抽象类通常是作为基类，让派生类去实现纯虚函数。派生类必须实现纯虚函数才能被实例化。

  • 一个纯虚函数就可以使类成为抽象基类，但是抽象基类中除了包含纯虚函数外，还可以包含其它的成员函数（虚函数或普通函数）和成员变量。
  • 只有类中的虚函数才能被声明为纯虚函数，普通成员函数和顶层函数均不能声明为纯虚函数。
  • 基类的析构函数必须声明为虚函数。
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
    // 增加了一个虚函数表的指针
    // 虚函数 子类可以覆写的函数
    virtual void look() {
        cout << "virtual look" << endl;
    }
    // 纯虚函数 必须要让子类实现的
    virtual void speak() {};
    // 基类的析构函数必须声明为虚函数
    virtual ~Person() {
        cout << "~Person" << endl;
    }
};
class Child : public Person {
public:
    // 子类实现纯虚函数
    void speak() override {
        cout << "child speak" << endl;
    }
    // 访问父类的方法
    void look() override {
        cout << "child look" << endl;
        Person::look();
    }
    ~Child() {
        cout << "~Child" << endl;
    }
};
int main() {
    Person *person = new Child(); // 必须通过指针的方式，不同通过栈的方式去派生抽象
    person->speak(); // child speak
    person->look(); // child look
    Person p;
    cout << sizeof(p) << endl; // 8 这就表明了虚函数是有一个虚函数表，增加一个指针*vtable，指向了虚函数表
    // 下面代码来证明
    typedef void (*func)(void);
    func fun = NULL;
    cout << (int *) &p << endl; // 指向函数的首地址 0x16ee1efa8
    cout << (int *) *(int *) &p << endl; // 函数的地址 0xfe40a0
    fun = (func) *((int *) *(int *) &p);
    fun(); // virtual look
    return 0;
}
/**
 * child speak
 * child look
 * virtual look
 * ~Child
 * ~Person
 */
child speak
child look
virtual look
8
0x16ee1efa8
0xfe40a0

模板

模板和java的泛型类似。 模板类不支持声明(.h)和实现(.cpp)分开写,「不能将模板的声明和定义分散到多个文件中」的根本原因是：模板的实例化是由编译器完成的，而不是由链接器完成的，这可能会导致在链接期间找不到对应的实例。

函数模板

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
using namespace std;
/**
 * 函数模板和java中的泛型类似
 */
// 方法泛型 这里只能声明在方法上
template<typename T, typename R=int>
// R的默认类型是int
// typename == class 两个等价的
void swap2(T t, R r) {
}
template<typename T>
void swapT(T &a, T &b) {
    cout << "swap: T a T b" << endl;
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
// 普通函数优先级比泛型函数高，只有类型重合的状态下
void swapT(int &a, int &b) {
    cout << "swap : int a int b" << endl;
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
int main() {
    // 函数模板
    int a = 10;
    int b = 20;
    char c = 'a';
    swapT<int>(a, b); // 显示调度
    swapT(a, b); // 自动推导
//    swap(a,c); // 报错 无法推导出具体的类型
//    swap2(); // 报错 无法推导出具体的类型
    char *a1 = "abc";
    char *a2 = "123";
    cout << a1 << a2 << endl;
    swapT(a1, a2);
    cout << a1 << a2 << endl;
    return 0;
}
swap: T a T b
swap : int a int b
abc123
swap: T a T b
123abc

类模板

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
// 模板修饰在类上
template<typename T, typename R>
class Person {
public:
    T a;
    R b;
    Person(T t) {
    }
    T &getA() {
        T t1;
//        return t1; // 这里不可以返回，因为方法执行完毕后会销毁掉
        return a; // 返回值是引用
    }
};
/**
 * 和java不同的部分，比java更加灵活
 */
class Pp {
public:
    void show() {
        cout << "Pp show" << endl;
    }
};
template<typename T>
class ObjTemp {
private:
    T obj;
public:
    void showPp() {
        // 自动检查 但是会出现不可预期的错误
        obj.show(); // 假设模板是Pp，可以调用Pp的变量和方法，在java中需要<T extend Pp> T才能调用方法
    }
};
template<typename T, typename R>
class CTest {
public:
    T m_name;
    R m_age;
    CTest(T name, R age) {
        this->m_name = name;
        this->m_age = age;
    }
    void show() {
        cout << "show T:" << m_name << " R:" << m_age << endl;
    }
};
template<typename T, typename R>
void doWork(CTest<T, R> &cTest) {
    cTest.show();
}
template<typename T>
void doWork2(T &t) {
    t.show(); // 在java中必须是<T extend xxxx>
}
// 继承模板问题和java是一样的
template<typename T>
class Base {
public:
    T t;
};
// 确定的类型或者模板
template<typename T, typename R>
class Son : Base<R> {
public:
    T t1;
};
int main() {
    CTest<string, int> test("后端码匠", 28); // show T:后端码匠 R:28
    doWork(test);
    doWork2<CTest<string, int>>(test); // 显示调用
    doWork2(test); // 自动推导
    ObjTemp<Pp> temp;
    temp.showPp(); // Pp show 可以调用传递过来的模板的方法
    // 自动类型推导，在类模板上不可以使用，无法推导出具体的类型
    Person<int, string> p(100);
    cout << p.getA() << endl;
    return 0;
}
show T:后端码匠 R:28
show T:后端码匠 R:28
show T:后端码匠 R:28
Pp show
0

实现一个模板类ArrayList类似Java的列表实现：

注意在之前学习的.h和.cpp分开的方式，不支持模板，一般模板的部分都会合并到.h文件中。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
#ifndef CPPDEMO_ARRAYLIST_H
#define CPPDEMO_ARRAYLIST_H
template<typename T>
class ArrayList {
public:
    int d = 11;
    ArrayList() {
        this->size = 16;
        this->realSize = 0;
        this->arr = new T[this->size];
    }
    // explicit 不能通过隐式调用
    explicit ArrayList(int capacity) {
        this->size = capacity;
        this->realSize = 0;
        // 在堆区申请数组
        this->arr = new T[this->size]; // 在堆中开辟的一块空间 存储的是一个int[size] 数组，arr指向数组的首地址
    }
    // 拷贝函数
    ArrayList(const ArrayList &arrayList) {
        this->size = arrayList.size;
        this->realSize = arrayList.realSize;
        this->arr = new T[arrayList.size];
        // 将数组的值赋值到arr中
        for (int i = 0; i < this->size; ++i) {
            this->arr[i] = arrayList.arr[i]; // arrayList.arr[i]他也是指针  this->arr[i] 是指针
        }
    }
    // 析构函数
    ~ArrayList() {
        if (this->arr != nullptr) {
            delete[] this->arr;
            this->arr = nullptr;
        }
    }
    void add(T val) {
        add(val, this->realSize);
    }
    void add(T val, int index) {
        if (index < 0 || index > size) {
            return;
        }
        // 判断容量是否够大 不够进行扩容
        if (this->realSize >= size * 0.75) {
            resize();
        }
        this->arr[index] = val; // 等价于   *((this->arr)+index) = val
        this->realSize++; // 数据量大小+1
    }
    T get(int index) {
        if (index < 0 || index >= realSize) {
            return -1;
        }
        return this->arr[index];
    }
    T remove(int index) {
        if (index < 0 || index >= realSize) {
            return -1;
        }
        // 如何移除呢？循环往前移动
        int result = this->arr[index];
        for (int i = index; i < size - 1; ++i) {
            this->arr[i] = this->arr[i + 1];
        }
        this->realSize--;
        // 判断缩减容量
        return result;
    }
    // const 定义为常函数
    int getLength() const {
        // realSize = realSize - 1; 这样会报错 不能修改函数内部的所有变量
        c = 11; // mutable 修饰的变量可以在常函数中修改
        return realSize;
    }
    bool isEmpty() const {
        return realSize == 0;
    }
    void resize() {
        int netLength = size * 2;
        T *p = new T[netLength];
        // 拷贝数据
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            *(p + i) = this->arr[i];
        }
        // 释放之前的数组
        delete[] this->arr;
        // 重新赋值
        this->arr = p;
        this->size = netLength;
    }
    void toString() {
        cout << "[ ";
        for (int i = 0; i < realSize; ++i) {
            cout << arr[i] << ", ";
        }
        cout << " ] " << endl;
    }
private:
    int size{}; // 容器的大小
    int realSize{}; // 真实的数组长度
    T *arr; // 这里不能使用数组，因为数组名是arr指针常量，不能对arr重新赋值， 指针是指针变量，而数组名只是一个指针常量
    mutable int c = 10; // 可以在常函数中修改的变量 需要使用mutable进行修饰
};
int main() {
    ArrayList<int> arrayList;
    arrayList.add(1);
    arrayList.add(2);
    arrayList.add(3);
    arrayList.add(4);
    arrayList.add(5);
    arrayList.add(6);
    for (int i = 0; i < arrayList.getLength(); ++i) {
        cout << arrayList.get(i) << endl;
    }
    return 0;
}
#endif // CPPDEMO_ARRAYLIST_H
1
2
3
4
5
6

字符串

int main() {
    // 字符串 string 是C++独有的string是一个对象，内部封装了和C一样的字符串的表现形式
    string s1();
    string s2("123");
    string s3 = "wew"; // string字符串是声明在堆区的
    string s4(4, 'k'); // 4个K组成 kkkk
    string s5("123456", 1, 4); // 从1开始，输出四个字符串：2345
    cout << s4 << " " << s5 << endl;
    s2.append(s3); // 追加123wew
    s2.append(s3, 1, 2); // ew
    cout << s2 << endl; // 123wewew
    string sub = s2.substr(2, 3); // 字符串裁剪
    cout << sub << endl; // 3we
    s4.swap(s5); // 字符串交换，只有引用和地址才会改变外部的值
    // c_str 支持C，转换为char *
    string s = "后端码匠"; // 存储在堆区 方法执行完毕 执行析构函数 从堆区移除
    // 一般不会这样使用
    const char *s_c = s.c_str(); // 将C++ string转换为支持C的字符串，返回常量指针 指针指向了常量，不能通过指针来修改常量
    printf("%s\n", s_c);
    // 一般开发会使用strcpy拷贝，防止被销毁掉等问题 在FFmpeg是使用的C，所以在使用C++开发时必须要对C的转换
    char ss[20];
    strcpy(ss, s.c_str()); // 拷贝到一个新的变量中
    return 0;
}
kkkk 2345
123wewew
3we
后端码匠
C/C++ 常用开发代码片段
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