【编程实践】第二章 C++面向对象编程《C++程序设计语言》 / By 禅与计算机程序设计艺术&ChatGPT
第二章 C++面向对象编程
在C++中，面向对象编程主要通过类和对象来实现。C++的面向对象编程特性包括类和对象、封装、继承和多态。通过使用这些特性，可以更好地组织和管理代码，提高代码的可维护性和可扩展性。
2.1 类和对象
类是一种用户自定义的数据类型，它包含数据成员和成员函数。数据成员用于存储对象的数据，而成员函数用于操作这些数据。对象是类的一个实例，它包含了类的数据成员的具体值。
例如，以下代码演示了如何定义和使用一个简单的类和对象：
class Person {public:string name;int age;public:void sayHello() {cout << "Hello, my name is " << name << ", I am " << age << " years old." << endl;}};int main() {Person p1;p1.name = "Tom";p1.age = 18;p1.sayHello();Person p2;p2.name = "Jerry";p2.age = 20;p2.sayHello();return 0;}
该代码定义了一个Person类，包含两个数据成员和一个成员函数。在main函数中创建了两个Person对象，分别设置了它们的数据成员，并调用了它们的成员函数。
2.2 继承和多态性
继承是一种面向对象编程的特性，它允许一个类继承另一个类的数据成员和成员函数。通过继承，可以避免重复编写代码，提高代码的复用性和可维护性。
例如，以下代码演示了如何使用继承来实现一个简单的动物类和狗类：
class Animal {public:string name;int age;public:void sayHello() {cout << "Hello, I am an animal." << endl;}};class Dog : public Animal {public:void bark() {cout << "Woof woof!" << endl;}};int main() {Dog d;d.name = "Tom";d.age = 2;d.sayHello();d.bark();return 0;}
该代码定义了一个Animal类和一个Dog类，Dog类继承了Animal类的数据成员和成员函数。在main函数中创建了一个Dog对象d，设置了它的数据成员，并调用了它的成员函数。
多态是一种面向对象编程的特性，它允许使用一个基类类型的指针或引用来调用派生类的成员函数。通过多态，可以实现运行时的动态绑定，提高代码的灵活性和可扩展性。
例如，以下代码演示了如何使用多态来实现一个简单的动物类和狗类：
class Animal {public:virtual void sayHello() {cout << "Hello，我是一只动物。" << endl;}};class Dog : public Animal {public:void sayHello() {cout << "汪汪，我是一只狗。" << endl;}};int main() {Animal* a = new Animal();a->sayHello();Animal* d = new Dog();d->sayHello();return 0;}
该代码定义了一个Animal类和一个Dog类，Dog类重写了Animal类的sayHello()函数。在main函数中创建了一个Animal类型的指针a和一个Dog类型的指针d，分别调用了它们的sayHello()函数。由于sayHello()函数是虚函数，所以在运行时根据指针的类型来动态绑定函数调用，输出了不同的结果。
在C++中，多态虚函数的调用需要在运行时进行动态绑定，这可能会导致运行时开销，从而影响程序的性能。但是，这个开销通常是可以接受的，并且在大多数情况下，使用多态可以提高程序的可维护性和可扩展性，从而带来更多的好处。
另外，C++中可以通过将虚函数设置为内联函数来优化虚函数的调用。内联函数可以在编译时将函数调用替换为函数体，从而避免了函数调用的开销。但是，内联函数的使用也需要谨慎，因为它会增加代码的大小，从而可能会导致缓存不命中和其他问题。
多态可能会影响程序的性能，但是在大多数情况下，这个开销可以接受，并且使用多态可以提高程序的可维护性和可扩展性。在需要优化性能的情况下，可以考虑使用内联函数或其他优化技术来减少多态的开销。
多态实际应用场景
C++的多态是面向对象编程中非常重要的一个特性，它可以提高代码的灵活性、可扩展性和可维护性。以下是C++多态的几个实际应用场景：
代码重用
多态可以通过继承和重写基类的虚函数实现代码重用，派生类可以重写基类的函数来实现自己的功能，从而避免了代码的重复编写。例如，在一个图形库中，不同的图形可以通过继承一个基类Shape并重写它的虚函数来实现自己的功能，从而避免了代码的重复编写。
运行时多态
多态可以在运行时动态绑定函数调用，从而实现运行时多态。例如，在一个游戏中，玩家可以通过选择不同的角色来实现不同的功能，这些角色可以继承一个基类Character并重写它的虚函数，从而实现不同的功能。
接口多态
多态可以用于实现接口多态，让不同的类实现相同的接口，从而可以以相同的方式来调用它们的函数。例如，在一个数据结构库中，不同的数据结构可以继承一个基类Container并实现相同的接口，从而可以以相同的方式来操作它们。
扩展性
多态可以提高代码的可扩展性，让程序可以方便地添加新的功能。例如，在一个图形库中，如果需要添加新的图形，只需要继承基类Shape并实现相应的功能即可，不需要修改已有的代码。
总之，C++的多态是一种非常重要的面向对象编程特性，在实际应用中可以提高代码的灵活性、可扩展性和可维护性，让程序更加优雅和易于开发。
2.3 访问控制和封装性
封装是一种面向对象编程的特性，它将数据和操作数据的函数封装在一个类中。通过封装，可以隐藏数据的实现细节，只暴露类的接口，从而提高代码的可维护性和安全性。
例如，以下代码演示了如何使用封装来实现一个简单的计数器：
class Counter {private:int count;public:Counter() {count = 0;}void increment() {count++;}void decrement() {count--;}int getCount() const {return count;}};int main() {Counter c;c.increment();c.increment();c.decrement();cout << "Count: " << c.getCount() << endl;return 0;}
该代码定义了一个Counter类，包含一个私有数据成员count和三个公有成员函数increment、decrement和getCount。在main函数中创建了一个Counter对象c，调用了它的成员函数来增加、减少计数器的值，并输出了计数器的值。
2.4 虚函数和纯虚函数
在C++中，虚函数是一种在基类中声明的函数，可以被派生类重写以实现多态。虚函数可以使用关键字virtual来声明，在基类中使用virtual关键字声明的函数，如果在派生类中被重写，那么在运行时将根据实际对象类型动态绑定调用。
而纯虚函数则是一种在基类中声明的没有实现的虚函数，它只是一个接口，需要被派生类实现。纯虚函数可以使用关键字virtual和= 0来声明，例如：
class Animal {public:virtual void sayHello() = 0; // 纯虚函数};class Dog : public Animal {public:void sayHello() {cout << "汪汪，我是一只狗。" << endl;}};
在上面的例子中，Animal类中的sayHello()函数被声明为纯虚函数，因此Animal类是一个抽象类，无法被实例化。而Dog类继承了Animal类，并实现了sayHello()函数，因此可以被实例化。
纯虚函数的主要作用是为了定义一个接口，让派生类实现具体的功能，从而实现多态。它还可以用来实现一些基类的默认行为，例如在一个图形库中，基类Shape可以定义一个纯虚函数draw()，让派生类实现具体的绘制行为。这样一来，基类Shape就可以提供一个默认的绘制行为，而派生类则可以根据自己的需要重写这个行为。
总之，在C++中，虚函数和纯虚函数是实现多态的重要手段。虚函数可以被派生类重写以实现多态，而纯虚函数则是为了定义一个接口，让派生类实现具体的功能。
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