C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

2022-08-28 18:50:33

0.目录

1.抽象类和接口

2.被遗弃的多重继承

3.小结

1.抽象类和接口

1.1 抽象类

面向对象中的抽象类：

  • 可用于表示现实世界中的抽象概念
  • 是一种只能定义类型，而不能产生对象的类
  • 只能被继承并重写相关函数
  • 直接特征是相关函数没有完整的实现

Shape是现实世界中各种图形的抽象概念，因此：

  • 程序中必须能够反映抽象的图形
  • 程序中通过抽象类表示图形的概念
  • 抽象类不能创建对象，只能用于继承

1.2 纯虚函数

抽象类与纯虚函数：

  • C++语言中没有抽象类的概念
  • C++中通过纯虚函数实现抽象类
  • 纯虚函数是指只定义原型的成员函数
  • 一个C++类中存在纯虚函数就成为了抽象类

纯虚函数的语法规则：

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

示例——抽象类：

#include <iostream>

using namespace std;

class Shape

{

public:

    virtual double area() = 0;

};

class Rect : public Shape

{

    int ma;

    int mb;

public:

    Rect(int a, int b)

    {

        ma = a;

        mb = b;

    }

    double area()

    {

        return ma * mb;

    }

};

class Circle : public Shape

{

    int mr;

public:

    Circle(int r) { mr = r; }

    double area()

    {

        return 3.14 * mr * mr;

    }

};

void area(Shape* p)

{

    double r = p->area();

    cout << "r = " << r << endl;

}

int main()

{

    Rect rect(1, 2);

    Circle circle(10);

    area(&rect);

    area(&circle);

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

r = 2

r = 314
  • 抽象类只能用作父类被继承
  • 子类必须实现纯虚函数的具体功能
  • 纯虚函数被实现后成为虚函数
  • 如果子类没有实现纯虚函数，则子类成为抽象类

1.3 接口

满足下面条件的C++类则称为接口：

  • 类中没有定义任何的成员变量
  • 所有的成员函数都是公有的
  • 所有的成员函数都是纯虚函数
  • 接口是一种特殊的抽象类

示例——接口：

#include <iostream>

using namespace std;

class Channel

{

public:

    virtual bool open() = 0;

    virtual void close() = 0;

    virtual bool send(char* buf, int len) = 0;

    virtual int receive(char* buf, int len) = 0;

};

int main()

{

    return 0;

}

C++中没有真正的接口，但是C++的后续语言Java、C#直接支持接口的概念！

2.被遗弃的多重继承

2.1 C++中的多重继承

C++支持编写多重继承的代码：

  • 一个子类可以拥有多个父类
  • 子类拥有所有父类的成员变量
  • 子类继承所有父类的成员函数
  • 子类对象可以当作任意父类对象使用

多重继承的语法规则：

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

2.2 多重继承的问题一

示例——多重继承的问题一：

#include <iostream>

using namespace std;

class BaseA

{

    int ma;

public:

    BaseA(int a) { ma = a; }

    int getA() { return ma; }

};

class BaseB

{

    int mb;

public:

    BaseB(int b) { mb = b; }

    int getB() { return mb; }

};

class Derived : public BaseA, public BaseB

{

    int mc;

public:

    Derived(int a, int b, int c) : BaseA(a), BaseB(b)

    {

        mc = c;

    }

    int getC() { return mc; }

    void print()

    {

        cout << "ma = " << getA() << ", "

             << "mb = " << getB() << ", "

             << "mc = " << mc << endl;

    }

};

int main()

{

    cout << "sizeof(Derived) = " << sizeof(Derived) << endl; // 12

    Derived d(1, 2, 3);

    d.print();

    cout << "d.getA() = " << d.getA() << endl;

    cout << "d.getB() = " << d.getB() << endl;

    cout << "d.getC() = " << d.getC() << endl;

    cout << endl;

    BaseA* pa = &d;

    BaseB* pb = &d;

    cout << "pa->getA() = " << pa->getA() << endl;

    cout << "pb->getB() = " << pb->getB() << endl;

    cout << endl;

    void* paa = pa;

    void* pbb = pb;

    if( paa == pbb )

    {

        cout << "Pointer to the same object!" << endl;

    }

    else

    {

        cout << "Error" << endl;

    }

    cout << "pa = " << pa << endl;

    cout << "pb = " << pb << endl;

    cout << "paa = " << paa << endl;

    cout << "pbb = " << pbb << endl; 

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

sizeof(Derived) = 12

ma = 1, mb = 2, mc = 3

d.getA() = 1

d.getB() = 2

d.getC() = 3

pa->getA() = 1

pb->getB() = 2

Error

pa = 0x7ffc9f641dc0

pb = 0x7ffc9f641dc4

paa = 0x7ffc9f641dc0

pbb = 0x7ffc9f641dc4

通过多重继承得到的对象可能拥有“不同的地址”！！

解决方案：无

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

（其实pa和pb还是指向了同一个对象，但是指向的是同一个对象的不同位置，打个比方就是pa指向了这个对象的脑袋，pb指向了这个对象的胸口。。。）

2.3 多重继承的问题二

多重继承可能产生冗余的成员：

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

示例——多重继承的问题二：

#include <iostream>

using namespace std;

class People

{

    string m_name;

    int m_age;

public:

    People(string name, int age)

    {

        m_name = name;

        m_age = age;

    }

    void print()

    {

        cout << "Name = " << m_name << ", "

             << "Age = " << m_age << endl;

    }

};

class Teacher : public People

{

public:

    Teacher(string name, int age) : People(name, age) { }

};

class Student : public People

{

public:

    Student(string name, int age) : People(name, age) { }

};

class Doctor : public Teacher, public Student

{

public:

    Doctor(string name, int age) : Teacher(name + "1", age + 10), Student(name + "2", age + 1) { }

};

int main()

{

    Doctor d("Bob", 33);

    //d.print();

    d.Teacher::print();

    d.Student::print();

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

Name = Bob1, Age = 43

Name = Bob2, Age = 34

当多重继承关系出现闭合时将产生数据冗余的问题！！！！

解决方案：虚继承

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

  • 虚继承能够解决数据冗余问题
  • 中间层父类不再关心顶层父类的初始化
  • 最终子类必须直接调用顶层父类的构造函数

示例——使用虚继承解决数据冗余：

#include <iostream>

using namespace std;

class People

{

    string m_name;

    int m_age;

public:

    People(string name, int age)

    {

        m_name = name;

        m_age = age;

    }

    void print()

    {

        cout << "Name = " << m_name << ", "

             << "Age = " << m_age << endl;

    }

};

class Teacher : virtual public People

{

public:

    Teacher(string name, int age) : People(name, age) { }

};

class Student : virtual public People

{

public:

    Student(string name, int age) : People(name, age) { }

};

class Doctor : public Teacher, public Student

{

public:

    Doctor(string name, int age) : Teacher(name+"1", age), Student(name+"2", age), People(name+"3", age) { }

};

int main()

{

    Doctor d("Delphi", 33);

    d.print();

    d.Teacher::print();

    d.Student::print();

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

Name = Delphi3, Age = 33

Name = Delphi3, Age = 33

Name = Delphi3, Age = 33

问题：

当架构设计中需要继承时，无法确定使用直接继承还是虚继承！！

2.4 多重继承的问题三

多重继承可能产生多个虚函数表

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

示例——多重继承的问题三：

#include <iostream>

using namespace std;

class BaseA

{

public:

    virtual void funcA()

    {

        cout << "BaseA::funcA()" << endl;

    }

};

class BaseB

{

public:

    virtual void funcB()

    {

        cout << "BaseB::funcB()" << endl;

    }

};

class Derived : public BaseA, public BaseB

{

};

int main()

{

    Derived d;

    BaseA* pa = &d;

    BaseB* pb = &d;

    BaseB* pbb = (BaseB*)pa;

    cout << "sizeof(d) = " << sizeof(d) << endl;

    cout << "Using pa to call funcA()..." << endl;

    pa->funcA();

    cout << "Using pb to call funcB()..." << endl;

    pb->funcB();

    cout << "Using pbb to call funcB()..." << endl;

    pbb->funcB();

    cout << endl;

    cout << "pa = " << pa << endl;

    cout << "pb = " << pb << endl;

    cout << "pbb = " << pbb << endl;

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

sizeof(d) = 16

Using pa to call funcA()...

BaseA::funcA()

Using pb to call funcB()...

BaseB::funcB()

Using pbb to call funcB()...

BaseA::funcA()

pa = 0x7fffd5157c20

pb = 0x7fffd5157c28

pbb = 0x7fffd5157c20

需要进行强制类型转换时，C++中推荐使用新式类型转换关键字！！

解决方案：dynamic_cast

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

示例——使用新式类型转换dynamic_cast关键字：

#include <iostream>

using namespace std;

class BaseA

{

public:

    virtual void funcA()

    {

        cout << "BaseA::funcA()" << endl;

    }

};

class BaseB

{

public:

    virtual void funcB()

    {

        cout << "BaseB::funcB()" << endl;

    }

};

class Derived : public BaseA, public BaseB

{

};

int main()

{

    Derived d;

    BaseA* pa = &d;

    BaseB* pb = &d;

    BaseB* pbb = (BaseB*)pa; // oops!!

    BaseB* pbc = dynamic_cast<BaseB*>(pa);

    cout << "sizeof(d) = " << sizeof(d) << endl;

    cout << "Using pa to call funcA()..." << endl;

    pa->funcA();

    cout << "Using pb to call funcB()..." << endl;

    pb->funcB();

    cout << "Using pbb to call funcB()..." << endl;

    pbb->funcB();

    cout << "Using pbc to call funcB()..." << endl;

    pbc->funcB();

    cout << endl;

    cout << "pa = " << pa << endl;

    cout << "pb = " << pb << endl;

    cout << "pbb = " << pbb << endl;

    cout << "pbc = " << pbc << endl;

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

sizeof(d) = 16

Using pa to call funcA()...

BaseA::funcA()

Using pb to call funcB()...

BaseB::funcB()

Using pbb to call funcB()...

BaseA::funcA()

Using pbc to call funcB()...

BaseB::funcB()

pa = 0x7ffcc2c27ff0

pb = 0x7ffcc2c27ff8

pbb = 0x7ffcc2c27ff0

pbc = 0x7ffcc2c27ff8

2.5 正确的使用多重继承

工程开发中的“多重继承”方式：

  • 单继承某个类 + 实现（多个）接口

C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

示例——正确的多继承方式：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base

{

protected:

    int mi;

public:

    Base(int i) { mi = i; }

    int getI() { return mi; }

    bool equal(Base* obj)

    {

        return (this == obj);

    }

};

class Interface1

{

public:

    virtual void add(int i) = 0;

    virtual void minus(int i) = 0;

};

class Interface2

{

public:

    virtual void multiply(int i) = 0;

    virtual void divide(int i) = 0;

};

class Derived : public Base, public Interface1, public Interface2

{

public:

    Derived(int i) : Base(i) { }

    void add(int i) { mi += i; }

    void minus(int i) { mi -= i; }

    void multiply(int i) { mi *= i; }

    void divide(int i)

    {

        if( i != 0 ) { mi /= i; }

    }

};

int main()

{

    Derived d(100);

    Derived* p = &d;

    Interface1* pInt1 = &d;

    Interface2* pInt2 = &d;

    cout << "p->getI() = " << p->getI() << endl;    // 100

    pInt1->add(10);

    pInt2->divide(11);

    pInt1->minus(5);

    pInt2->multiply(8);

    cout << "p->getI() = " << p->getI() << endl;    // 40

    cout << endl;

    cout << "pInt1 == p : " << p->equal(dynamic_cast<Base*>(pInt1)) << endl;

    cout << "pInt2 == p : " << p->equal(dynamic_cast<Base*>(pInt2)) << endl;

    return 0;

}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp

[root@bogon Desktop]# ./a.out

p->getI() = 100

p->getI() = 40

pInt1 == p : 1

pInt2 == p : 1

一些有用的工程建议：

  • 先继承自一个父类，然后实现多个接口
  • 父类中提供equal()成员函数
  • equal()成员函数用于判断指针是否指向当前对象
  • 与多重继承相关的强制类型转换用dynamic_cast完成

3.小结

  • 抽象类用于描述现实世界中的抽象概念
  • 抽象类只能被继承不能创建对象
  • C++中没有抽象类的概念
  • C++中通过纯虚函数实现抽象类
  • 类中只存在纯虚函数的时成为接口
  • 接口是一种特殊的抽象类
  • C++支持多重继承的编程方式
  • 多重继承容易带来问题
    1. 可能出现“同一个对象的地址不同”的情况
    2. 虚继承可以解决数据冗余的问题
    3. 虚继承的使得架构设计可能出现问题
  • 多继承中可能出现多个虚函数表指针
  • 与多重继承相关的强制类型转换用dynamic_cast完成
  • 工程开发中采用“单继承多接口”的方式使用多继承
  • 父类提供成员函数用于判断指针是否指向当前对象
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