C++——多態、抽象類和接口

多態的基本概念

如何實現多態

在C++中，派生類對象可以被當作基類對象使用

編程示例

關鍵概念總結

抽象類

一、抽象類的定義

基本語法

二、抽象類的核心特性

1. 不能直接實例化

2.?派生類必須實現所有純虛函數才能成為具體類

3.?可以包含普通成員函數和數據成員

編程示例

關鍵點說明

接口

接口的基本概念

多態的基本概念

想象一下，你有一個遙控器（這就像是一個基類的指針），這個遙控器可以控制不同的電子設備（這些設備就像是派生類）。無論是電視、音響還是燈光，遙控器上的“開/關”按鈕（這個按鈕就像是一個虛函數）都能控制它們，但具體的操作（打開電視、播放音樂、開燈）則取決于你指向的設備。

如何實現多態

1. 使用虛函數（Virtual Function）：

我們在基類中定義一個虛函數，這個函數可以在任何派生類中被“重寫”或者說“定制”。使用關鍵字 virtual 來聲明。

2. 創建派生類并重寫虛函數：

在派生類中，我們提供該虛函數的具體實現。這就像是告訴遙控器，“當你控制我的這個設備時，這個按鈕應該這樣工作”。

3. 通過基類的引用或指針調用虛函數：

當我們使用基類類型的指針或引用來調用虛函數時，實際調用的是對象的實際類型（派生類）中的函數版本。

當基類包含至少一個虛函數（通常是純虛函數），派生類重寫該函數后，在main函數中用基類指針指向派生類對象，并通過該指針調用虛函數時，實際調用的是派生類的實現，這種現象稱為多態。

在C++中，派生類對象可以被當作基類對象使用

派生類對象可以直接賦值給基類指針/引用
但反過來不行（基類對象不能當作派生類對象）

編程示例

#include <iostream>
using namespace std;// 基類——遙控器（抽象概念）
class RemoteCon
{
public:// 虛函數：聲明遙控器的"開啟"功能，允許子類重寫virtual void open() = 0; // 純虛函數（=0表示沒有默認實現）// 這樣RemoteCon就成為抽象類，不能直接實例化
};// 派生類——電視遙控器，繼承于基類遙控器
class TVRemoteCon : public RemoteCon
{
public:// 重寫（override）基類的open函數void open() override{cout << "電視遙控器開啟鍵被按下" << endl;}
};// 派生類——燈光遙控器，繼承于基類遙控器
class LightRemoteCon : public RemoteCon
{
public:void open() override{cout << "燈光遙控器開啟鍵被按下" << endl;}
};// 派生類——空調遙控器，繼承于基類遙控器
class AirConditionerRemoteCon : public RemoteCon
{
public:void open() override{cout << "空調遙控器開啟鍵被按下" << endl;}
};int main()
{// 第一部分：通過指針實現多態// 創建一個指向電視遙控器的基類指針RemoteCon* remoteCon = new TVRemoteCon();  remoteCon->open();  // 調用TVRemoteCon的open()// 創建一個指向燈光遙控器的基類指針RemoteCon* remoteCon2 = new LightRemoteCon();remoteCon2->open();  // 調用LightRemoteCon的open()// 第二部分：通過引用實現多態AirConditionerRemoteCon kongTiao;  // 創建空調遙控器對象RemoteCon& remoteCon3 = kongTiao;  // 創建基類引用綁定到派生類對象remoteCon3.open();  // 調用AirConditionerRemoteCon的open()// 釋放動態分配的內存delete remoteCon;delete remoteCon2;return 0;
}

代碼解釋：

RemoteCon *remoteCon = new TVRemoteCon; // 創建一個指向電視的遙控器指針
remoteCon->open();

盡管?remoteCon?是?RemoteCon*?類型的指針，但它實際指向的是?TVRemoteCon?對象。在運行時，C++ 的多態機制會依據對象的實際類型來調用相應的?open?函數實現，所以這里調用的是?TVRemoteCon?類中的?open?函數。

關鍵概念總結

虛函數（virtual）：允許函數在派生類中被重寫
override關鍵字：明確表示重寫基類虛函數
多態兩種實現：
- 基類指針指向派生類對象
- 基類引用綁定派生類對象
運行時綁定：具體調用哪個函數在運行時決定

抽象類

一、抽象類的定義

抽象類是指包含至少一個純虛函數的類，它不能被實例化，只能作為其他類的基類。

基本語法

class 抽象類名 {
public:virtual 返回類型 函數名(參數列表) = 0; // 純虛函數// 其他成員...
};

二、抽象類的核心特性

1. 不能直接實例化

class Shape {
public:virtual double area() = 0;
};// Shape s;  // 錯誤！不能創建抽象類對象

2.?派生類必須實現所有純虛函數才能成為具體類

class Circle : public Shape {
public:double area() override { return 3.14*r*r; } // 必須實現
};

3.?可以包含普通成員函數和數據成員

class Animal {
public:virtual void speak() = 0;void eat() { cout << "Eating..." << endl; } // 普通成員函數
protected:int age; // 數據成員
};

編程示例

#include <iostream>using namespace std;// 這是一個抽象類，包含3個純虛函數
// 因為有純虛函數，所有這個類不能被實例化
class Teacher { 
public:virtual void course() = 0;    // 聲明課程內容的純虛函數virtual void startClass() = 0; // 開始上課的純虛函數virtual void endClass() = 0;   // 結束課程的純虛函數
};// 具體派生類 EnglishTeacher
class EnglishTeacher : public Teacher {
public:void course() override {cout << "這節課是英語課" << endl;}void startClass() override {cout << "開始上英語課" << endl;}void endClass() override {cout << "英語課結束" << endl;}
};// 具體派生類 ProTeacher
class ProTeacher : public Teacher {
public:void course() override {cout << "這節課是C++" << endl;}void startClass() override {cout << "開始上C++" << endl;}void endClass() override {cout << "C++結束" << endl;}
};int main() {// 直接使用具體類EnglishTeacher t;t.course();      // 輸出: 這節課是英語課t.startClass();  // 輸出: 開始上英語課t.endClass();    // 輸出: 英語課結束// 多態用法Teacher* t2 = new ProTeacher;t2->course();     // 輸出: 這節課是C++t2->startClass(); // 輸出: 開始上C++t2->endClass();   // 輸出: C++結束delete t2; // 記得釋放內存return 0;
}

關鍵點說明

多態的實現：
- 通過基類指針Teacher*指向派生類對象ProTeacher
- 調用虛函數時，實際執行的是派生類的實現
override關鍵字：
- 確保函數確實重寫了基類的虛函數
- 如果簽名不匹配，編譯器會報錯
抽象類的作用：
- 強制派生類實現特定接口
- 統一了不同種類教師的調用方式
內存管理：
- 示例中new ProTeacher需要手動delete

接口

在C++中，接口是一種特殊的抽象類，它只包含純虛函數而不包含任何數據成員或具體實現。接口用于定義行為規范，讓不同的類可以遵循相同的接口標準。

接口的基本概念

在 C++ 中，雖然沒有像其他編程語言（比如 Java 中的接口Interface）一樣直接定義接口的關鍵字，但可以通過抽象類和純虛函數的方式來實現接口的概念。

接口通常用于定義類應該實現的方法，但不提供具體實現。這樣的實現方式允許多個類共享相同的接口，同時讓每個類根據需要去實現這些接口。

一個類作為接口可以通過以下步驟來實現：

1. 定義抽象類：創建一個包含純虛函數的抽象類，這些函數構成了接口的一部分。這些函數在抽象類中只有聲明而沒有具體的實現。

2. 派生類實現接口：派生類繼承抽象類，并實現其中的純虛函數，以具體實現接口定義的方法。

#include <iostream>using namespace std;class Person // 接口
{
public:virtual void eat() = 0; // 吃virtual void drink() = 0; // 喝virtual void haveFun() = 0; // 玩樂
};class Woman : public Person
{
public:void eat() override{cout << "麻辣雞腿堡" << endl;}void drink() override{cout << "珍珠奶茶" << endl;}void haveFun() override{cout << "劇本殺" << endl;}
};class Man : public Person
{
public:void eat() override{cout << "板燒雞腿堡" << endl;}void drink() override{cout << "可樂" << 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?類是一個抽象基類，它包含了三個純虛函數（eat(),?drink(),?haveFun()），這實際上起到了接口的作用。

Woman?和?Man?類繼承自?Person?并實現了所有這些純虛函數。

所以可以說這是一個接口的實現，但更準確的說法是：