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C++——多态、抽象类和接口

backend 2025/5/16 15:32:51

多态的基本概念

如何实现多态

在C++中，派生类对象可以被当作基类对象使用

编程示例

关键概念总结

抽象类

一、抽象类的定义

基本语法

二、抽象类的核心特性

1. 不能直接实例化

2. 派生类必须实现所有纯虚函数才能成为具体类

3. 可以包含普通成员函数和数据成员

编程示例

关键点说明

接口

接口的基本概念

多态的基本概念

想象一下，你有一个遥控器（这就像是一个基类的指针），这个遥控器可以控制不同的电子设备（这些设备就像是派生类）。无论是电视、音响还是灯光，遥控器上的“开/关”按钮（这个按钮就像是一个虚函数）都能控制它们，但具体的操作（打开电视、播放音乐、开灯）则取决于你指向的设备。

如何实现多态

1. 使用虚函数（Virtual Function）：

我们在基类中定义一个虚函数，这个函数可以在任何派生类中被“重写”或者说“定制”。使用关键字 virtual 来声明。

2. 创建派生类并重写虚函数：

在派生类中，我们提供该虚函数的具体实现。这就像是告诉遥控器，“当你控制我的这个设备时，这个按钮应该这样工作”。

3. 通过基类的引用或指针调用虚函数：

当我们使用基类类型的指针或引用来调用虚函数时，实际调用的是对象的实际类型（派生类）中的函数版本。

当基类包含至少一个虚函数（通常是纯虚函数），派生类重写该函数后，在main函数中用基类指针指向派生类对象，并通过该指针调用虚函数时，实际调用的是派生类的实现，这种现象称为多态。

在C++中，派生类对象可以被当作基类对象使用

派生类对象可以直接赋值给基类指针/引用
但反过来不行（基类对象不能当作派生类对象）

编程示例

#include <iostream>
using namespace std;// 基类——遥控器（抽象概念）
class RemoteCon
{
public:// 虚函数：声明遥控器的"开启"功能，允许子类重写virtual void open() = 0; // 纯虚函数（=0表示没有默认实现）// 这样RemoteCon就成为抽象类，不能直接实例化
};// 派生类——电视遥控器，继承于基类遥控器
class TVRemoteCon : public RemoteCon
{
public:// 重写（override）基类的open函数void open() override{cout << "电视遥控器开启键被按下" << endl;}
};// 派生类——灯光遥控器，继承于基类遥控器
class LightRemoteCon : public RemoteCon
{
public:void open() override{cout << "灯光遥控器开启键被按下" << endl;}
};// 派生类——空调遥控器，继承于基类遥控器
class AirConditionerRemoteCon : public RemoteCon
{
public:void open() override{cout << "空调遥控器开启键被按下" << endl;}
};int main()
{// 第一部分：通过指针实现多态// 创建一个指向电视遥控器的基类指针RemoteCon* remoteCon = new TVRemoteCon();  remoteCon->open();  // 调用TVRemoteCon的open()// 创建一个指向灯光遥控器的基类指针RemoteCon* remoteCon2 = new LightRemoteCon();remoteCon2->open();  // 调用LightRemoteCon的open()// 第二部分：通过引用实现多态AirConditionerRemoteCon kongTiao;  // 创建空调遥控器对象RemoteCon& remoteCon3 = kongTiao;  // 创建基类引用绑定到派生类对象remoteCon3.open();  // 调用AirConditionerRemoteCon的open()// 释放动态分配的内存delete remoteCon;delete remoteCon2;return 0;
}

代码解释：

RemoteCon *remoteCon = new TVRemoteCon; // 创建一个指向电视的遥控器指针
remoteCon->open();

尽管 remoteCon 是 RemoteCon* 类型的指针，但它实际指向的是 TVRemoteCon 对象。在运行时，C++ 的多态机制会依据对象的实际类型来调用相应的 open 函数实现，所以这里调用的是 TVRemoteCon 类中的 open 函数。

关键概念总结

虚函数（virtual）：允许函数在派生类中被重写
override关键字：明确表示重写基类虚函数
多态两种实现：
- 基类指针指向派生类对象
- 基类引用绑定派生类对象
运行时绑定：具体调用哪个函数在运行时决定

抽象类

一、抽象类的定义

抽象类是指包含至少一个纯虚函数的类，它不能被实例化，只能作为其他类的基类。

基本语法

class 抽象类名 {
public:virtual 返回类型 函数名(参数列表) = 0; // 纯虚函数// 其他成员...
};

二、抽象类的核心特性

1. 不能直接实例化

class Shape {
public:virtual double area() = 0;
};// Shape s;  // 错误！不能创建抽象类对象

2. 派生类必须实现所有纯虚函数才能成为具体类

class Circle : public Shape {
public:double area() override { return 3.14*r*r; } // 必须实现
};

3. 可以包含普通成员函数和数据成员

class Animal {
public:virtual void speak() = 0;void eat() { cout << "Eating..." << endl; } // 普通成员函数
protected:int age; // 数据成员
};

编程示例

#include <iostream>using namespace std;// 这是一个抽象类，包含3个纯虚函数
// 因为有纯虚函数，所有这个类不能被实例化
class Teacher { 
public:virtual void course() = 0;    // 声明课程内容的纯虚函数virtual void startClass() = 0; // 开始上课的纯虚函数virtual void endClass() = 0;   // 结束课程的纯虚函数
};// 具体派生类 EnglishTeacher
class EnglishTeacher : public Teacher {
public:void course() override {cout << "这节课是英语课" << endl;}void startClass() override {cout << "开始上英语课" << endl;}void endClass() override {cout << "英语课结束" << endl;}
};// 具体派生类 ProTeacher
class ProTeacher : public Teacher {
public:void course() override {cout << "这节课是C++" << endl;}void startClass() override {cout << "开始上C++" << endl;}void endClass() override {cout << "C++结束" << endl;}
};int main() {// 直接使用具体类EnglishTeacher t;t.course();      // 输出: 这节课是英语课t.startClass();  // 输出: 开始上英语课t.endClass();    // 输出: 英语课结束// 多态用法Teacher* t2 = new ProTeacher;t2->course();     // 输出: 这节课是C++t2->startClass(); // 输出: 开始上C++t2->endClass();   // 输出: C++结束delete t2; // 记得释放内存return 0;
}

关键点说明

多态的实现：
- 通过基类指针Teacher*指向派生类对象ProTeacher
- 调用虚函数时，实际执行的是派生类的实现
override关键字：
- 确保函数确实重写了基类的虚函数
- 如果签名不匹配，编译器会报错
抽象类的作用：
- 强制派生类实现特定接口
- 统一了不同种类教师的调用方式
内存管理：
- 示例中new ProTeacher需要手动delete

接口

在C++中，接口是一种特殊的抽象类，它只包含纯虚函数而不包含任何数据成员或具体实现。接口用于定义行为规范，让不同的类可以遵循相同的接口标准。

接口的基本概念

在 C++ 中，虽然没有像其他编程语言（比如 Java 中的接口Interface）一样直接定义接口的关键字，但可以通过抽象类和纯虚函数的方式来实现接口的概念。

接口通常用于定义类应该实现的方法，但不提供具体实现。这样的实现方式允许多个类共享相同的接口，同时让每个类根据需要去实现这些接口。

一个类作为接口可以通过以下步骤来实现：

1. 定义抽象类：创建一个包含纯虚函数的抽象类，这些函数构成了接口的一部分。这些函数在抽象类中只有声明而没有具体的实现。

2. 派生类实现接口：派生类继承抽象类，并实现其中的纯虚函数，以具体实现接口定义的方法。

#include <iostream>using namespace std;class Person // 接口
{
public:virtual void eat() = 0; // 吃virtual void drink() = 0; // 喝virtual void haveFun() = 0; // 玩乐
};class Woman : public Person
{
public:void eat() override{cout << "麻辣鸡腿堡" << endl;}void drink() override{cout << "珍珠奶茶" << endl;}void haveFun() override{cout << "剧本杀" << endl;}
};class Man : public Person
{
public:void eat() override{cout << "板烧鸡腿堡" << endl;}void drink() override{cout << "可乐" << endl;}void haveFun() override{cout << "打桌球" << endl;}
};int main()
{Woman w;w.eat();w.drink();w.haveFun();Man m;m.eat();m.drink();m.haveFun();return 0;
}

Person 类是一个抽象基类，它包含了三个纯虚函数（eat(), drink(), haveFun()），这实际上起到了接口的作用。

Woman 和 Man 类继承自 Person 并实现了所有这些纯虚函数。

所以可以说这是一个接口的实现，但更准确的说法是：