C++基础学习教程（七）----类编写及类的两个特性解析--->多态&继承

类引入

到眼下为止我们所写的自己定义类型都是keywordstruct,从如今起我们将採用class方式定义类,这样的方式对于学习过其它高级语言包含脚本(Such as Python)的人来说再熟悉只是了.

可是在写之前我们还是须要比較一下用struct和class之间有什么差别.

首先对于struct,在C兼容性方面非常重要,虽然C++是有别于C的还有一门语言,但很多程序还是必须与C交互,C++有两个重要功能,能够方便的与C交互.当中之中的一个的就是POD,即是Plain Old Data(简单旧式数据)的缩写.

POD类型就是没有其它功能仅用于存储数据的类型.如内置类型就是POD类型,该类型没有其它功能.详细的int类型.一个既无构造函数也没有重载的赋值操作函数而仅有共同拥有的POD类型作为数据成员的类也是一个POD类型.

POD类型的重要性在于,那些在C++库/第三方库的/操作系统接口中遗留的C函数须要POD类型.

在编写类之前,我们能够直接看一下class的样例,即是rational的最新版本号,部分代码例如以下:

/** @file rational_class.cpp */
/** The Latest Rewrite of the rational Class */
#include <cassert>
#include <cstdlib>
#include <istream>
#include <ostream>
#include <sstream>

using namespace std;

/// Compute the greatest common divisor of two integers, using Euclid’s algorithm.
int gcd(int n, int m)
{
  n = abs(n);
  while (m != 0) {
    int tmp(n % m);
    n = m;
    m = tmp;
  }
  return n;
}

/// Represent a rational number (fraction) as a numerator and denominator.
class rational
{
public:
  rational(): numerator_(0), denominator_(1)  {}
  rational(int num): numerator_(num), denominator_(1) {}

  rational(int num, int den)
  : numerator_(num), denominator_(den)
  {
    reduce();
  }

  rational(double r)
  : numerator_(static_cast<int>(r * 10000)), denominator_(10000)
  {
    reduce();
  }

  int numerator()   const { return numerator_; }
  int denominator() const { return denominator_; }
  float as_float()
  const
  {
    return static_cast<float>(numerator()) / denominator();
  }

  double as_double()
  const
  {
    return static_cast<double>(numerator()) / denominator();
  }

  long double as_long_double()
  const
  {
    return static_cast<long double>(numerator()) /
           denominator();
  }

  /// Assign a numerator and a denominator, then reduce to normal form.
  void assign(int num, int den)
  {
    numerator_ = num;
    denominator_ = den;
    reduce();
  }
private:
  /// Reduce the numerator and denominator by their GCD.
  void reduce()
  {
    assert(denominator() != 0);
    if (denominator() < 0)
    {
      denominator_ = -denominator();
      numerator_ = -numerator();
    }
    int div(gcd(numerator(), denominator()));
    numerator_ = numerator() / div;
    denominator_ = denominator() / div;
  }

  int numerator_;
  int denominator_;
};

/// Absolute value of a rational number.
rational abs(rational const& r)
{
  return rational(abs(r.numerator()), r.denominator());
}

/// Unary negation of a rational number.
rational operator-(rational const& r)
{
  return rational(-r.numerator(), r.denominator());
}

/// Add rational numbers.
rational operator+(rational const& lhs, rational const& rhs)
{
  return rational(
          lhs.numerator() * rhs.denominator() + rhs.numerator() * lhs.denominator(),
          lhs.denominator() * rhs.denominator());
}

/// Subtraction of rational numbers.
rational operator-(rational const& lhs, rational const& rhs)
{
  return rational(
          lhs.numerator() * rhs.denominator() - rhs.numerator() * lhs.denominator(),
          lhs.denominator() * rhs.denominator());
}

/// Multiplication of rational numbers.
rational operator*(rational const& lhs, rational const& rhs)
{
  return rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(),
                  lhs.denominator() * rhs.denominator());
}

/// Division of rational numbers.
/// TODO: check for division-by-zero
rational operator/(rational const& lhs, rational const& rhs)
{
  return rational(lhs.numerator() * rhs.denominator(),
                  lhs.denominator() * rhs.numerator());
}

/// Compare two rational numbers for equality.
bool operator==(rational const& a, rational const& b)
{
  return a.numerator() == b.numerator() and a.denominator() == b.denominator();
}

/// Compare two rational numbers for inequality.
inline bool operator!=(rational const& a, rational const& b)
{
  return not (a == b);
}
/// Compare two rational numbers for less-than.
bool operator<(rational const& a, rational const& b)
{
  return a.numerator() * b.denominator() < b.numerator() * a.denominator();
}

/// Compare two rational numbers for less-than-or-equal.
inline bool operator<=(rational const& a, rational const& b)
{
  return not (b < a);
}
/// Compare two rational numbers for greater-than.
inline bool operator>(rational const& a, rational const& b)
{
  return b < a;
}

/// Compare two rational numbers for greater-than-or-equal.
inline bool operator>=(rational const& a, rational const& b)
{
  return not (b > a);
}

/// Read a rational number.
/// Format is @em integer @c / @em integer.
istream& operator>>(istream& in, rational& rat)
{
  int n(0), d(0);
  char sep('\0');
  if (not (in >> n >> sep))
    // Error reading the numerator or the separator character.
    in.setstate(in.failbit);
  else if (sep != '/')
  {
    // Push sep back into the input stream, so the next input operation
    // will read it.
    in.unget();
    rat.assign(n, 1);
  }
  else if (in >> d)
    // Successfully read numerator, separator, and denominator.
    rat.assign(n, d);
  else
    // Error reading denominator.
    in.setstate(in.failbit);

  return in;
}

/// Write a rational numbers.
/// Format is @em numerator @c / @em denominator.
ostream& operator<<(ostream& out, rational const& rat)
{
  ostringstream tmp;
  tmp << rat.numerator() << '/' << rat.denominator();
  out << tmp.str();

  return out;
}

类特性

在上面的代码中,有两个之前没有见过的keyword:public和private.事实上学习过其它高级语言的话非常easy看出这个是訪问级别的限制声名符.顾名思义,public就是公共的訪问级别,对外开放的,而private则不是,他不正确用户开放,用户只能通过public的方法或接口来訪问或改动

既然介绍了class,就应该说一以下向对象的有关特征.

类主要包括动作和属性这两样东西.他们的差别在于,属性对于单个对象是独特的,而动作是属于同一类的全部对象多共享的.动作有时也被称为行为.在C++中,类描写叙述了全部对象的行为或动作,以及属性类型.每一个对象都有其自己的属性,并在类中枚举出来.在C++中,成员函数实现动作,并提供堆属性的訪问机制,而数据成员存储属性.

面向对象编程其它的特点就是继承和多态.

关于继承

即是存在父类和子类(派生类),派生类继承了他的父类的非私有属性和行为.

Liskov置换原则.当派生类特化了一个基类的行为或者属性的时候,则代码中不论什么使用基类的地方代之以继承类的对象是等效的.简单的描写叙述是:假设基类B和派生类D,则在不论什么调用B类型的一个对象环境里,能够无副作用的使用一个D类型对象置换之.

关于多态,即是变量的类型决定了它所包括的对象的类型.多态的变量能够包括众多的不同类型的对象的一个.特别的,一个基类的变量既能够指代一个该基类的对象,也能够指代由该基类派生的随意类型的一个对象.依据置换原则,能够使用基类变量编写代码,调用基类的随意成员函数,而改代码均会正常工作,不管该对象真正的/派生的类型.

如今就实际说明一下关于继承的编程方法.首先还是看代码,以下我们构造了一个work类,以及两个派生类book和periodical.

/** @file calss_inh.cpp */
/** Defining a Derived Class */

using namespace std;
class work
{
public:
  // 构造函数
  work()
  : id_(), title_()
  {}
  // 构造函数
  work(string const& id, string const& title)
  : id_(id), title_(title)
  {}
  // 内置方法
  string const& id()
  const
  {
    return id_;
  }

  string const& title()
  const
  {
    return title_;
  }
// 数据成员
private:
  string id_;
  string title_;
};

// 子类 book
class book : public work
{
public:
  // 构造函数
  book()
  : author_(), pubyear_(0)
  {}
  // 构造函数
  book(string const& id, string const& title, string const& author,int pubyear)
  : work(id, title), author_(author), pubyear_(pubyear)
  {}

  // 内置方法
  string const& author()
  const
  {
    return author_;
  }

  int pubyear()
  const
  {
    return pubyear_;
  }
// 数据成员
private:
  string author_;
  int pubyear_; ///< year of publication
};

// 子类periodical
class periodical : public work
{
public:
  periodical()
  : volume_(0), number_(0), date_()
  {}
  periodical(string const& id, string const& title, int volume,
             int number,string const& date)
  : work(id, title), volume_(volume), number_(number), date_(date)
  {}

  // 内置方法
  int volume()
  const
  {
    return volume_;
  }

  int number()
  const
  {
    return number_;
  }

  string const& date()
  const
  {
    return date_;
  }

  // 数据成员
private:
  int volume_;       ///< volume number
  int number_;       ///< issue number
  string date_;      ///< publication date
};

义类时候假设使用struct,则默认訪问级别是public,若使用class,则默认訪问级别是private.这些keyword也会影响到类.

上面的代码中每一个类都有自己的构造函数,每一个类也能够有自己的析构函数,所谓析构函数是指运行类的清理工作的函数.这个函数一样没有返回值,名字是~加上类名字.

例如以下的代码中,增加了析构函数,执行之后我们能够看出构造函数和析构函数在继承中的执行顺序.代码例如以下:

/** @file Destructors.cpp */
/** Order of Calling Destructors */
#include <iostream>
#include <ostream>

class base
{
public:
  base()  { std::cout << "base::base()\n"; }
  ~base() { std::cout << "base::~base()\n"; }
};

class middle : public base
{
public:
  middle()  { std::cout << "middle::middle()\n"; }
  ~middle() { std::cout << "middle::~middle()\n"; }
};

class derived : public middle
{
public:
  derived()  { std::cout << "derived::derived()\n"; }
  ~derived() { std::cout << "derived::~derived()\n"; }
};

int main()
{
  derived d;
}

结果例如以下:

假设没有手动编写析构函数,则编译器一样会自己主动生成一个短小的默认析构函数.在运行完析构函数体后,编译器会调用每一个成员函数的析构函数,然后从最后派生的类開始调用全部基类的析构函数.以下一个演示样例代码,你能猜到输出是什么么?

/** @file Constructors_Destructors.cpp */
/** Constructors and Destructors */
#include <iostream>
#include <ostream>
#include <vector>

using namespace std;

class base
{
public:
    // 构造函数
    base(int value)
    : value_(value)
    {
        cout << "base(" << value << ")\n";
    }
    // 构造函数
    base()
    : value_(0)
    {
      cout << "base()\n";
    }
    // 构造函数
    base(base const& copy)
    : value_(copy.value_)
    {
      cout << "copy base(" << value_ << ")\n";
    }
    // 析构函数
    ~base() { cout << "~base(" << value_ << ")\n"; }
    //
    int value()
    const
    {
      return value_;
    }

    base& operator++()
    {
      ++value_;
      return *this;
    }
    // 私有数据成员
private:
    int value_;
};

// 子类
class derived : public base
{
public:
    // 构造函数
    derived(int value)
    : base(value)
    {
      cout << "derived(" << value << ")\n";
    }
    // 构造函数
    derived()
    : base()
    {
      cout << "derived()\n";
    }
    // 构造函数
    derived(derived const& copy)
    : base(copy)
    {
        cout << "copy derived(" << value() << "\n";
    }
    // 析构函数
    ~derived()
    {
      cout << "~derived(" << value() << ")\n";
    }
};

// 方法
derived make_derived()
{
  return derived(42);
}

base increment(base b)
{
  ++b;
  return b;
}

void increment_reference(base& b)
{
  ++b;
}

int main()
{
  derived d(make_derived());
  base b(increment(d));
  increment_reference(d);
  increment_reference(b);
  derived a(d.value() + b.value());
}

结果例如以下(图片为反,希望能够自己调试自己思考一下结果).

tips:

详细错误例如以下:

说完继承,我们继续说类的还有一个特性:

多态.

要实现多态仅仅须要一个keyword,这个keyword会告诉编译器你须要多态,则编译器会奇妙的实现多态.仅用一个派生类型的对象去初始化一个基类引用类型的变量,则编译后的代码会检查该对象的真实类型,并调用对应的函数,这个keyword是virtual.

以下一个样例演示样例了一个virtual的print函数,代码:

/** @file virtual_fun.cpp */
/** Calling the print Function */
#include <iostream>
#include <ostream>
#include <string>

using namespace std;

/** Adding a Polymorphic print Function to Every Class Derived from work */
class work
{
public:
  work() : id_(), title_() {}
  work(string const& id, string const& title) : id_(id), title_(title) {}
  virtual ~work() {}
  string const& id()    const { return id_; }
  string const& title() const { return title_; }
  virtual void print(ostream& out) const {}
private:
  string id_;
  string title_;
};

class book : public work
{
public:
  book() : author_(), pubyear_(0) {}
  book(string const& id, string const& title, string const& author,
       int pubyear)
  : work(id, title), author_(author), pubyear_(pubyear)
  {}
  string const& author() const { return author_; }
  int pubyear()               const { return pubyear_; }
  virtual void print(ostream& out) const
  {
    out << author() << ", " << title() << ", " << pubyear() << ".";
  }
private:
  string author_;
  int pubyear_; ///< year of publication
};

class periodical : public work
{
public:
  periodical() : volume_(0), number_(0), date_() {}
  periodical(string const& id, string const& title, int volume,
             int number,
 string const& date)
  : work(id, title), volume_(volume), number_(number), date_(date)
  {}
  int volume()              const { return volume_; }
  int number()              const { return number_; }
  string const& date() const { return date_; }
  virtual void print(ostream& out) const
  {
    out << title() << ", " << volume() << '(' << number() << "), " << date() << ".";
  }
private:
  int volume_;       ///< volume number
  int number_;       ///< issue number
  string date_; ///< publication date
};

void showoff(work const& w)
{
  w.print(cout);
  cout << '\n';
}

int main()
{
  book sc("1", "The Sun Also Crashes", "Ernest Lemmingway", 2000);
  book ecpp("2", "Exploring C++", "Ray Lischner", 2008);
  periodical pop("3", "Popular C++", 13, 42, "January 1, 2000");
  periodical today("4", "C++ Today", 1, 1, "January 13, 1984");

  showoff(sc);
  showoff(ecpp);
  showoff(pop);
  showoff(today);
}

结果例如以下:

上面的代码中,showoff函数无需知道book和periodical,仅仅需关心w是work的一个引用.此处可以调用的函数必须在work类声明过.虽然如此,当showoff调用print时,他会依据该对象的真实类型是book还是periodical来调用对应的函数.

由于keywordvirtual的原因,C++也把多态函数称作虚函数(virtual function).当某个函数定义为虚函数时候,它在其派生类中也保持虚函数的特性,因此不须要再派生类中使用virtual,可是依旧推荐使用,这样能够方便阅读和识别.在每一个派生类中,对应的虚函数必须是有同样的名字\同样的返回类型,而且參数的个数及类型也要相等.

派生类也可不实现某个虚函数,此时他会把基类的函数像非虚函数一样继承下来.而假设派生类实现了虚函数,则称为覆盖(override)函该数,由于派生类的行为覆盖了本应该继承于基类的行为.

在上面的图片代码中,说明了showoff函数的參数是引用传递类型的,而不是按值传递,由于假设是按值传递參数,或将一个派生类的对象赋值给基类变量,则会失去多态特性.

上面的基类work尽管定义了print函数,可是该函数没实用处,为了让他实用,每一个派生类必须覆盖print.而诸如work类的编写者为了确保每一个派生类都会正确的覆盖虚函数,能够省略函数体,而用=0取代之.该符号将函数标记为纯虚函数,表明此函数没有可继承的实现,派生类必须实现该函数(有点类似Java的抽象(类)函数).而对于纯虚函数,编译器增加了一些规则,至少有一个纯虚函数的类称为抽象类.不同意定义抽象类的对象.

比方讲work类改动成纯虚函数:

/** Defining work as an Abstract Class. */
class work
{
public:
  work() : id_(), title_() {}
  work(std::string const& id, std::string const& title) : id_(id), title_(title) {}
  virtual ~work() {}
  std::string const& id()    const { return id_; }
  std::string const& title() const { return title_; }
  virtual void print(std::ostream& out) const = 0;
private:
  std::string id_;
  std::string title_;
};

虽然大部分类不须要手动编写析构函数,可是有一个规则,假设一个类有虚函数,那么该类一定要将析构函数也声明为虚函数.这个不过编程建议,不是语法要求,编译器也不会提示你应该写,可是你要取代编译器,推荐你写.

That is it.

Next :

几个概念:

声明与定义

自己主动类型

静态变量

静态数据成员