C++中的继承与多态

在C++中，继承和多态是面向对象编程的核心概念，它们使得代码更加模块化、可重用和易于维护。

继承：

继承是一种代码复用机制，它允许一个类（子类）继承另一个类（父类）的属性和方法。通过继承，子类可以获得父类的功能，并可以根据需要扩展或修改这些功能。

在C++中，继承主要分为三种类型：

公有继承（Public Inheritance）：子类继承父类的公有成员和保护成员，但私有成员不可直接访问。公有继承表示“是一个”关系，即子类是一种特定类型的父类。
保护继承（Protected Inheritance）：子类继承父类的公有成员和保护成员，并且这些成员在子类中仍然保持保护属性。私有继承表示子类只能访问父类的公有和保护成员。
私有继承（Private Inheritance）：子类继承父类的公有成员和保护成员，但是这些成员在子类中成为私有的。私有继承表示实现细节的共享，而不是“是一个”的关系。

多态：

多态是指允许不同子类对象被统一对待的特性。在C++中，多态主要通过虚函数实现。当一个基类指针或引用指向派生类对象时，通过虚函数调用可以根据对象的实际类型来执行相应的函数。

多态分为两种：

静态多态（Static Polymorphism）：也称为编译时多态，主要通过函数重载和模板实现。编译器在编译时期根据函数参数的类型和数量来确定调用哪个函数。
动态多态（Dynamic Polymorphism）：也称为运行时多态，主要通过虚函数实现。在运行时，根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。

虚函数：

虚函数是在基类中声明的，它可以在派生类中被重写（override）。
当基类指针或引用调用虚函数时，会发生动态绑定，即实际调用的是对象所属类的版本。
虚函数的调用是多态的基础，它使得不同子类的对象可以通过相同的接口进行操作。

纯虚函数和抽象类：

纯虚函数是没有函数体的虚函数，它在基类中的声明以= 0结尾。
拥有纯虚函数的类被称为抽象类，抽象类不能被实例化。
抽象类通常作为基类，用于定义接口，其子类必须实现所有纯虚函数才能成为具体类。

构造函数和析构函数与继承：

构造函数不能被继承，每个子类都必须定义自己的构造函数。
析构函数可以被继承，但如果子类没有重写析构函数，则会调用基类的析构函数。
在多态场景下，正确的析构顺序很重要，通常应该先删除最派生的对象。

多态性的局限性：

多态性只适用于有继承关系的类。
多态性要求至少有一个虚函数。
通过基类指针或引用调用虚函数时，只能访问在基类中定义的接口。

案例一：公有继承

假设我们有一个基类Animal，它代表了所有动物共有的基本特征和行为。

class Animal {
public:
    void eat() {
        cout << "Eating..." << endl;
    }
    virtual void makeSound() {
        cout << "Making a generic animal sound..." << endl;
    }
};

现在，我们想要创建一个子类Dog，它继承自Animal，并添加了一些特有的行为。

class Dog : public Animal {
public:
    void bark() {
        cout << "Barking!" << endl;
    }
    void makeSound() override { // 覆盖基类的makeSound函数
        bark();
    }
};

在这个例子中，Dog类通过公有继承获得了Animal类的eat方法和makeSound方法。Dog类还添加了一个新的方法bark，并且覆盖了makeSound方法，使得当通过Dog对象调用makeSound时，执行的是Dog类的bark方法。

案例二：保护继承

假设我们有一个基类Vehicle，它代表了所有车辆的基本特征和行为。

class Vehicle {
protected:
    int speed;
public:
    Vehicle(int s) : speed(s) {}
    void accelerate(int increment) {
        speed += increment;
    }
};

现在，我们想要创建一个子类Car，它继承自Vehicle，并添加了一些特有的行为。

class Car : protected Vehicle {
public:
    Car(int s) : Vehicle(s) {}
    void honk() {
        cout << "Honking the horn!" << endl;
    }
};

在这个例子中，Car类通过保护继承获得了Vehicle类的速度和加速功能。由于速度是通过保护成员继承的，因此只有Car类及其子类可以访问速度属性。Car类还添加了一个新的方法honk。

案例三：私有继承

假设我们有一个基类Shape，它代表了所有形状的基本特征和行为。

class Shape {
public:
    void draw() {
        cout << "Drawing a generic shape..." << endl;
    }
};

现在，我们想要创建一个子类Square，它继承自Shape，并添加了一些特有的行为。

class Square : private Shape {
public:
    void draw() {
        Shape::draw(); // 调用基类的draw方法
        cout << "Drawing a square..." << endl;
    }
};

在这个例子中，Square类通过私有继承获得了Shape类的draw方法。由于draw方法是通过私有成员继承的，因此它只能在Square类内部被访问。Square类还添加了一个新的方法draw，它首先调用了基类的draw方法，然后添加了绘制正方形的特定逻辑。

案例四：多态

假设我们有一个基类Animal和几个派生类Dog、Cat和Bird，它们分别代表不同种类的动物。

class Animal {
public:
    virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数，使Animal成为抽象类
};

class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        cout << "Barking!" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        cout << "Meowing!" << endl;
    }
};

class Bird : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        cout << "Chirping!" << endl;
    }
};

现在，我们可以创建一个函数，它接受Animal类型的引用作为参数，并调用其makeSound方法。由于多态，实际调用的将是对象所属类的makeSound方法。

void playSound(Animal& animal) {
    animal.makeSound();
}

int main() {
    Dog dog;
    Cat cat;
    Bird bird;

    playSound(dog); // 输出: Barking!
    playSound(cat); // 输出: Meowing!
    playSound(bird); // 输出: Chirping!

    return 0;
}

C++中的继承与多态

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