C++学习笔记（十六）

一、多态

1. 多态的基本概念

多态是C++面向对象三大特性之一

多态分为两类

1. 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

2. 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：

1. 静态多态的函数地址早绑定 —— 编译阶段确定函数地址

2. 动态多态的函数地址晚绑定 —— 运行阶段确定函数地址

#include <iostream>using namespace std;// 动物类
class Animal
{
public:// 虚函数virtual void speak(){cout << "动物在叫......" << endl;}
};// 猫类
class Cat :public Animal
{
public:void speak(){cout << "小猫在喵喵叫......" << endl;}
};// 狗类
class Dog :public Animal
{
public:void speak(){cout << "小狗在汪汪叫......" << endl;}
};// 执行叫的函数
// 地址早绑定 在编译阶段就确定了函数地址
// 如果想执行让猫叫或者让狗叫，那么这个函数的地址就不能提前绑定，需要在运行阶段进行绑定，地址晚绑定
void doSpeak(Animal& animal) // Animal& animal = cat;父类的引用指向子类的对象
{animal.speak();
}void test()
{Cat cat;doSpeak(cat);Dog dog;doSpeak(dog);
}
int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

动态多态满足的条件：

1. 有继承关系

2. 子类重写父类的虚函数

动态多态使用：父类的指针或者引用指向子类对象

重写：函数返回值类型、函数名、参数列表完全一致

重载：函数的参数列表不同

2. 多态的原理

在定义了虚函数的类中，都会有一个虚函数表指针，指向该类的虚函数表，表内记录虚函数的地址

当派生类继承基类时，会继承基类的虚函数表指针，指向基类的虚函数表

如果在派生类中实现了重写，先将基类虚表内容拷贝一份至派生类的虚表当中(派生类的虚表是自己生成的，这两个虚表的地址不一样)，然后将重写的虚函数的地址放入虚表的对应位置。

3. 多态案例一：计算机类

案例描述：

分别应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

多态的优点：

1. 代码组织结构清晰

2. 可读性强

3. 利于前期和后期的扩展以及维护

普通实现：

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;class Calculator
{
public:double m_num1;double m_num2;double getResult(string oper){if (oper == "+")return m_num1 + m_num2;else if(oper == "-")return m_num1 - m_num2;else if (oper == "*")return m_num1 * m_num2;else if (oper == "/")return m_num1 / m_num2;}
};void test()
{Calculator c;c.m_num1 = 20;c.m_num2 = 3.3;cout << c.m_num1 << " + " << c.m_num2 << " = " << c.getResult("+") << endl;cout << c.m_num1 << " - " << c.m_num2 << " = " << c.getResult("-") << endl;cout << c.m_num1 << " * " << c.m_num2 << " = " << c.getResult("*") << endl;cout << c.m_num1 << " / " << c.m_num2 << " = " << c.getResult("/") << endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

如果想扩展新的功能，需要修改源码

在真实的开发中，提供开闭原则

开闭原则：对扩展进行开放，对修改进行关闭

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;// 实现计算器基类
class BaseCalculator
{
public:double m_num1;double m_num2;virtual double getResult(){return 0;}
};// 加法计算器类
class AddCalculator : public BaseCalculator
{
public:double getResult(){return m_num1 + m_num2;}
};// 减法计算器类
class SubCalculator : public BaseCalculator
{
public:double getResult(){return m_num1 - m_num2;}
};// 乘法计算器类
class MulCalculator : public BaseCalculator
{
public:double getResult(){return m_num1 * m_num2;}
};// 除法计算器类
class DivCalculator : public BaseCalculator
{
public:double getResult(){return m_num1 / m_num2;}
};void test()
{// 多态使用条件// 父类指针或者引用指向子类对象// 加法运算BaseCalculator *calculator = new AddCalculator;calculator->m_num1 = 20;calculator->m_num2 = 3.3;cout << calculator->m_num1 << " + " << calculator->m_num2 << " = " << calculator->getResult() << endl;// 堆区数据手动开辟手动释放delete calculator;// 减法运算calculator = new SubCalculator;calculator->m_num1 = 20;calculator->m_num2 = 3.3;cout << calculator->m_num1 << " - " << calculator->m_num2 << " = " << calculator->getResult() << endl;delete calculator;// 乘法运算calculator = new MulCalculator;calculator->m_num1 = 20;calculator->m_num2 = 3.3;cout << calculator->m_num1 << " * " << calculator->m_num2 << " = " << calculator->getResult() << endl;delete calculator;// 除法运算calculator = new DivCalculator;calculator->m_num1 = 20;calculator->m_num2 = 3.3;cout << calculator->m_num1 << " / " << calculator->m_num2 << " = " << calculator->getResult() << endl;delete calculator;
}
int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

4. 纯虚函数和抽象类

在多态中，通常父类中虚函数的实现是毫无意义的，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

抽象类的特点：

1. 无法实例化对象

2. 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 Base
{
public:virtual void func() = 0;
};class Son1 : public Base
{void func(){cout << "已对父类的的纯虚函数进行重写..." << endl;}
};class Son2 : public Base
{
public:};void test()
{// 无法对抽象类进行实例化// Base b;Base* ptr1 = new Son1;ptr1->func();// 子类必须重写抽象类中的纯虚函数，否则也属于抽象类// Base* ptr2 = new Son2;
}int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

5. 多态案例二：制作饮品

案例描述：制作饮品的大致流程为：煮水 -> 冲泡(咖啡、茶叶) -> 倒入杯中 -> 加入辅料(糖、柠檬)

利用多态技术实现本案例，提供抽象制作饮品基类，提供子类制作咖啡和茶叶

#include <iostream>using namespace std;class AbstractDrinking
{
public:void Boil(){cout << "煮水中..." << endl;}virtual void Brew() = 0;void PourInCup(){cout << "正在倒入杯中..." << endl;}virtual void PutSomething() = 0;void Done(){cout << "制作完成..." << endl;}void makeDrink(){Boil();Brew();PourInCup();PutSomething();Done();}
};class Coffee : public AbstractDrinking
{
public:void Brew(){cout << "正在冲泡咖啡..." << endl;}void PutSomething(){cout << "正在加入糖..." << endl;}
};class Tea : public AbstractDrinking
{
public:void Brew(){cout << "正在冲泡茶叶..." << endl;}void PutSomething(){cout << "正在加入枸杞..." << endl;}
};void doWork(AbstractDrinking *abs)
{abs->makeDrink();delete abs;
}void test()
{// 制作咖啡doWork(new Coffee);cout << "-------------------" << endl;// 制作茶doWork(new Tea);
}
int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

6. 虚析构和纯虚析构

多态使用时，如果子类中有属性开辟到了堆区，那么父类指针在释放时无法调用到子类的析构代码

解决方式：将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构

虚析构和纯虚析构的共性：

1. 可以解决父类指针释放子类对象

2. 都需要有具体的函数实现

虚析构和纯虚析构的区别：

1. 如果时纯虚析构，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：需要声明和实现

virtual ~类名() = 0;

类名::~类名( ){ }

#include <iostream>using namespace std;class Base
{
public:virtual void func() = 0;Base(){cout << "基类的构造函数已调用..." << endl;}~Base(){cout << "基类的析构函数已调用..." << endl;}
};class Son : public Base
{
public:void func(){cout << "派生类中重写的纯虚函数已调用..." << endl;}Son(){cout << "派生类的构造函数已调用..." << endl;}~Son(){cout << "派生类的析构函数已调用..." << endl;}
};void test()
{Base* ptr = new Son;ptr->func();delete ptr;
}int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

从运行结果可以看出，父类指针在析构时，不会调用子类中的析构函数，如果子类中有堆区属性，就会出现内存泄漏的问题

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

#include <iostream>using namespace std;class Base
{
public:virtual void func() = 0;Base(){cout << "基类的构造函数已调用..." << endl;}virtual ~Base(){cout << "基类的析构函数已调用..." << endl;}
};class Son : public Base
{
public:void func(){cout << "派生类中重写的纯虚函数已调用..." << endl;}Son(){cout << "派生类的构造函数已调用..." << endl;}~Son(){cout << "派生类的析构函数已调用..." << endl;}
};void test()
{Base* ptr = new Son;ptr->func();delete ptr;
}int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

纯虚析构也可以解决这个问题，但是要注意，纯虚析构不同于纯虚函数，纯虚析构需要类内声明类外实现

#include <iostream>using namespace std;class Base
{
public:virtual void func() = 0;Base(){cout << "基类的构造函数已调用..." << endl;}virtual ~Base() = 0;
};
Base::~Base()
{cout << "基类的纯虚析构函数已调用..." << endl;
}class Son : public Base
{
public:void func(){cout << "派生类中重写的纯虚函数已调用..." << endl;}Son(){cout << "派生类的构造函数已调用..." << endl;}~Son(){cout << "派生类的析构函数已调用..." << endl;}
};void test()
{Base* ptr = new Son;ptr->func();delete ptr;
}int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

总结：

1. 虚析构或纯虚析构就是用来解决通过父类指针释放子类对象

2. 如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构或纯虚析构

3. 拥有纯虚析构函数的类也属于抽象类

7. 多态案例三：电脑组装

案例描述：

电脑主要组成部件为CPU(用于计算)，显卡(用于显示)，内存条(用于存储)

将每个零件封装出抽象类，并且提供不同的厂商生产不同的零件，例如Intel厂商和Lenovo厂商

创建电脑类提供让电脑工作的函数，并且调用每个零件工作的接口

测试时组装三台不同的电脑进行工作

#include <iostream>using namespace std;class CPU
{
public:virtual void calculate() = 0;
};class VideoCard
{
public:virtual void show() = 0;
};class Memory
{
public:virtual void store() = 0;
};class IntelCPU : public CPU
{
public:void calculate(){cout << "计算能力：10" << endl;}
};class IntelVideoCard : public VideoCard
{
public:void show(){cout << "显示能力：7" << endl;}
};class IntelMemory : public Memory
{
public:void store(){cout << "存储能力：8" << endl;}
};class LenovoCPU : public CPU
{
public:void calculate(){cout << "计算能力：9" << endl;}
};class LenovoVideoCard : public VideoCard
{
public:void show(){cout << "显示能力：6" << endl;}
};class LenovoMemory : public Memory
{
public:void store(){cout << "存储能力：9" << endl;}
};class Computer
{
public:Computer(CPU* CPU, VideoCard* vc, Memory* mem){m_CPU = CPU;m_vc = vc;m_mem = mem;}void work(){m_CPU->calculate();m_vc->show();m_mem->store();}~Computer(){if (m_CPU != NULL){delete m_CPU;m_CPU = NULL;}if (m_vc != NULL){delete m_vc;m_vc = NULL;}if (m_mem != NULL){delete m_mem;m_mem = NULL;}}
private:CPU* m_CPU;VideoCard* m_vc;Memory* m_mem;
};void test()
{// 第一台电脑cout << "--------第一台电脑--------" << endl;CPU* First_CPU = new IntelCPU;VideoCard* First_VideoCard = new IntelVideoCard;Memory* First_Memory = new IntelMemory;Computer* c1 = new Computer(First_CPU, First_VideoCard, First_Memory);c1->work();delete c1;// 第二台电脑cout << "--------第二台电脑--------" << endl;CPU* Second_CPU = new LenovoCPU;VideoCard* Second_VideoCard = new LenovoVideoCard;Memory* Second_Memory = new LenovoMemory;Computer* c2 = new Computer(Second_CPU, Second_VideoCard, Second_Memory);c2->work();delete c2;// 第三台电脑cout << "--------第三台电脑--------" << endl;CPU* Third_CPU = new IntelCPU;VideoCard* Third_VideoCard = new LenovoVideoCard;Memory* Third_Memory = new IntelMemory;Computer* c3 = new Computer(Third_CPU, Third_VideoCard, Third_Memory);c3->work();delete c3;}
int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

二、文件操作

程序运行时产生的数据都属于临时数据，程序一旦运行结束都会被释放

通过文件可以将数据持久化

C++中对文件操作需要包含头文件 <fstream>

文件类型分为两种：

1. 文本文件：文件以文本的ASCLL码形式存储在计算机中

2. 二进制文件：文件以文本的二进制形式存储在计算机中，用户一般不能直接读懂他们

操作文件的三大类：

1. ofstream：写操作

2. ifstream：读操作

3. fstream：读写操作

1. 文本文件

1.1 写文件

写文件步骤如下：

1. 包括头文件

# include <fstream>

2. 创建流对象

ofstream ofs;

3. 打开文件

ofs.open("文件路径",打开方式);

4. 写数据

ofs << "写入的数据";

5. 关闭文件

ofs.close();

文件打开方式：

打开方式	解释
ios::in	为读文件而打开文件
ios::out	为写文件而打开文件
ios::ate	初始位置：文件尾
ios::app	追加方式写文件
ios::trunc	如果文件存在先删除，再创建
ios::binary	二进制方式

注意：文件打开方式可以配合使用，利用 | 操作符

例如：用二进制方式写文件： ios::binary | ios::out

#include <iostream>
#include <fstream>using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{// 1. 包含头文件 fstream// 2. 创建流对象ofstream ofs;// 3. 指定打开方式ofs.open("D:\\test.txt", ios::out);// 4. 写内容ofs << "姓名：张三" << endl;ofs << "年龄：23" << endl;ofs << "性别：男" << endl;ofs << "居住地：地球" << endl;// 5. 关闭文件ofs.close();return 0;
}

总结：

1. 文件操作必须包含头文件 fstream

2. 读文件可以利用ofstream或者fstream类

3. 打开文件时需要指定操作文件的路径，以及打开方式

4. 利用 << 可以向文件中写数据

5. 操作完成后，需要关闭文件

1.2 读文件

读文件与写文件步骤相似，但是读取方式相对比较多

读文件步骤如下：

1. 包含头文件

# include <fstream>

2. 创建流对象

ifstream ifs;

3. 打开文件并判断文件是否打开成功

ifs.open("文件路径",打开方式)

4. 读数据

四种方式读取

5. 关闭文件

ifs.close()

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>using namespace std;void main(int argc, char* argv[])
{// 1. 包含头文件 fstream// 2. 创建流对象ifstream ifs;// 3. 指定打开方式ifs.open("D:\\test.txt", ios::in);// 判断文件是否打开成功if (!ifs.is_open()){cout << "文件打开失败..." << endl;return;}// 4. 读内容// (1).第一种char buffer[1024] = { 0 };while (ifs >> buffer){cout << buffer << endl;}// (2).第二种char buffer[1024] = { 0 };while (ifs.getline(buffer,sizeof(buffer))){cout << buffer << endl;}// (3).第三种string buffer;while (getline(ifs,buffer)){cout << buffer << endl;}// (4).第四种char c;while ((c = ifs.get()) != EOF){cout << c;}// 5. 关闭文件ifs.close();
}

2. 二进制文件

以二进制的方式对文件进行读写操作

打开方式要指定为 ios::binary

2.1 写文件

二进制方式写文件主要利用流对象调用成员函数 write

函数原型：ostream& write(const char * buffer, int len);

参数解释：字符指针buffer指向内存中一段存储空间。len时读写的字节数

#include <iostream>
#include <fstream>using namespace std;class Person
{
public:char m_Name[64];int m_Age;
};void test()
{// 1. 包含头文件 fstream// 2. 创建流对象ofstream ofs;// 3. 指定打开方式ofs.open("D:\\test.txt", ios::out | ios::binary);// 4. 写内容Person p = { "张三",18 };ofs.write((const char*)&p, sizeof(Person));// 5. 关闭文件ofs.close();
}int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}

总结：

文件输出流对象可以通过write函数，以二进制方式写数据

2.2 读文件

二进制方式读文件主要利用流对象调用成员函数read

函数原型：istream& read(char * buffer, int len);

参数解释：字符串指针buffer指向内存中一段存储空间。len时读写的字节数

#include <iostream>
#include <fstream>using namespace std;class Person
{
public:char m_Name[64];int m_Age;
};void test()
{// 1. 包含头文件 fstream// 2. 创建流对象ifstream ifs;// 3. 指定打开方式ifs.open("D:\\test.txt", ios::in | ios::binary);// 判断文件是否打开成功if (!ifs.is_open()){cout << "文件打开失败..." << endl;return;}// 4. 写内容Person p;ifs.read((char*)&p, sizeof(Person));cout << "姓名:" << p.m_Name << endl;cout << "年龄:" << p.m_Age << endl;// 5. 关闭文件ifs.close();
}int main(int argc, char* argv[])
{test();return 0;
}