C/C++ | 每日一练 (2)

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C/C++ | 每日一练 (2)

题目

简述 c++ 面向对象的三大特性。

参考答案

面向对象三大特性：封装、继承、多态。

封装

封装指的是将对象的行为和属性结合成为一个类，并隐藏对象的内部实现细节，仅通过对象的接口（即公开的方法）与外界交互。

• 隐藏内部实现细节：保护对象的内部状态，防止外部直接访问或修改对象的私有成员。
• 提供统一的接口：通过公开的方法（如构造函数、成员函数等）对外提供服务，使对象的使用更加安全和方便。

例如：

#include <iostream>

class Person
{
private:
    // 私有成员，外部无法直接访问
    std::string name;
    int age;

public:
    // 提供接口访问私有成员
    void setName(const std::string &newName)
    {
        name = newName;
    }
    void setAge(int newAge)
    {
        age = newAge;
    }

    void display() const
    {
        std::cout << name << " is " << age << " years old." << std::endl;
    }
};

继承

继承是指一个类（派生类或子类）可以继承另一个类（基类或父类）的属性和方法。子类可以扩展或修改父类的功能，而无需重新编写相同的代码，支持代码重用和扩展。继承可以是单继承或多继承（在 c++ 中支持）

继承的主要作用是：

• 代码复用：减少重复代码，提高开发效率。
• 拓展功能：派生类可以在继承基类的基础上，添加新的功能或修改现有功能。

#include <iostream>

class Animal
{
public:
    void eat()
    {
        std::cout << "animal eat" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal
{
public:
    void bark()
    {
        std::cout << "dog eat" << std::endl;
    }
};

多态

多态是指相同的接口在不同的类实例上具有不同的表现形式。多态分为：

• 编译时多态（函数重载和运算符重载）

• 运行时多态（通过虚函数实现）。

运行时多态是面向对象编程中最重要的多态形式，它通过虚函数和继承实现。

例如：

#include <iostream>

class Shape
{
public:
    // 定义为虚函数
    virtual void draw() const
    {
        std::cout << "drawing a shape" << std::endl;
    }
};

class Circle : public Shape
{
public:
    // 重写基类的虚函数
    void draw() const override
    {
        std::cout << "drawing a circle" << std::endl;
    }
};

class Square : public Shape
{
public:
    // 重写基类的虚函数
    void draw() const override
    {
        std::cout << "drawing a square" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    Shape *s1 = new Circle();
    Shape *s2 = new Square();

    s1->draw(); // drawing a circle
    s2->draw(); // drawing a square
    
    delete s1;
    delete s2;
}

虚函数

在 c++ 中，虚函数是实现运行时多态的关键机制。它允许派生类重写继承自基类的成员函数，从而在运行时根据对象的实际类型调用相应的函数实现。

虚函数是在基类中通过关键字 virtual 声明的成员函数。它的作用是让派生类可以覆盖该函数，从而实现多态行为。

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void display() { 
        std::cout << "Base::display()" << std::endl;
    }
}

虚函数的主要作用是实现 动态绑定或运行时多态。具体来说：

• 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据对象的实际类型（派生类类型）来调用对应的函数实现。
• 如果没有虚函数，调用的将是基类的成员函数，而不是派生类的实现，这种行为称为静态绑定。

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void display() {
        std::cout << "Base::display()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    // 重写基类的虚函数
    void display() override {
        std::cout << "Derived::display()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    delete ptr;
    return 0;
}

在上述代码中，ptr 是基类指针指向子类对象，由于 display() 是虚函数，程序会调用派生类的 display() 的实现。

底层实现

虚函数的实现依赖于虚表（简称 vtable）和虚表指针（vptr）：

• 每个包含虚函数的类都有一个虚表（vtable），虚表中存储了该类中所有虚函数的地址。
• 每个对象在对象头中会隐式地包含一个虚表指针（vptr），指向其所属类的虚表。
• 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会通过 vptr 查找虚表，然后在虚表中根据函数索引找到正确的函数地址。
• 执行函数调用。

单继承

单继承的动态多态结构图如下所示：

多继承

多继承是 c++ 中的一种继承方式，它允许一个子类从多个基类继承属性和行为。这种继承方式可以提供更大的灵活性，使得派生类能够组合多个基类的特性。但是，多继承也引入了复杂性，尤其是在内存布局、虚函数表、构造和析构顺序等方面。多继承的动态多态结构图如下所示：

#include <iostream>

class Base1
{
public:
	virtual void display()
	{
		std::cout << "Base1::display()" << std::endl;
	}

	virtual void show()
	{
		std::cout << "Base1::show()" << std::endl;
	}

	virtual ~Base1()
	{
		std::cout << "Base1::~Base1()" << std::endl;
	}

private:
	int a;
	int b;
};

class Base2
{
public:
	virtual void cat()
	{
		std::cout << "Base2::cat()" << std::endl;
	}
	virtual ~Base2()
	{
		std::cout << "Base2::~Base2()" << std::endl;
	}

private:
	int c;
};

class Derived : public Base1, public Base2
{
public:
	// 重写基类的虚函数
	void display() override
	{
		std::cout << "Derived::display()" << std::endl;
	}
	void cat() override
	{
		std::cout << "Derived::cat()" << std::endl;
	}
	~Derived() override 
	{
		std::cout << "Derived::~Derived" << std::endl;
	}
private:
	int d;
};

int main() {
	Base1* ptr1 = new Derived();
	Base2* ptr2 = new Derived();
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	return 0;
}

注意事项

• 虚函数必须是成员函数：全局函数或静态成员函数不能声明为虚函数。
• 派生类的覆盖函数必须与基类的虚函数具有相同的签名（函数名、参数类型和数量）。如果派生类的函数与基类虚函数签名不一致（函数名相同，参数类型和数量不相同），则不会覆盖而是隐藏。
• 纯虚函数：在基类中，可以将虚函数声明为纯虚函数，即在声明时赋值为 = 0。包含纯虚函数的类称为抽象类，不能实例化对象。

class AbstractClass {
public:
    virtual void func() = 0;  // 纯虚函数
};

• 析构函数的虚化：如果基类有虚函数，通常需要将析构函数声明为虚函数，以确保通过基类指针删除派生类对象时，能够正确调用派生类的析构函数。

class Base {
public:
    virtual ~Base() { cout << "Base destructor" << endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() { cout << "Derived destructor" << endl; }
};

• 虚函数的实现依赖于虚表和虚表指针，因此会带来一定的性能开销；每个对象需要存储一个虚表指针（通常为 4 字节或 8 字节）。
• 动态多态在调用虚函数时需要通过虚表查找函数地址，这比直接调用非虚函数稍慢。但是这种开销通常是可以接受的，特别是在需要多态的场景中。

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