C++解析(24)：抽象类和接口、多重继承

0.目录

1.抽象类和接口

• 1.1 抽象类
• 1.2 纯虚函数
• 1.3 接口

2.被遗弃的多重继承

• 2.1 C++中的多重继承
• 2.2 多重继承的问题一
• 2.3 多重继承的问题二
• 2.4 多重继承的问题三
• 2.5 正确的使用多重继承

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：

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：

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



（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：

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

• 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

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

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

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