C++感受13-Hello Object 多态版

警告：您已进入C++面向对象编程的深水区。

多态：表面上看起来是一样的对象，调用表面上看起来是一样的方法，但在实际执行时，代码所展现的功能形态却不一样。

1. 什么叫多态？
2. 虚函数发挥作用的机制
3. 虚析构函数发挥作用的机制

1. 什么是多态？

多态就是表面上看起来是一样的对象，调用表面上看起来是一样的方法，但在实际执行时，代码所展现的功能形态却是不一样的。

我们把一样称为“单”，不一样称为“多”。

“单”的目的，是为了让程序员写代码更简单，“多”的目的，是为了让更简单的代码可以实现更丰富的功能。

结合上一节课，我们现在有三条和编程基础原则：

1. 相同的功能，我们希望使用同一份，同一处的代码实现——而不是到处复制粘贴；
2. 不同的功能，我们希望通过不同位置上的代码加以实现——而不是混在一起写；
3. 如果同一份，同一处代码，就是想要实现不同的功能，请用多态——而不是用一堆分支流程。

2. 课堂视频

完整听听老师怎么讲吧。

这一节会比较长哦，因为多态比较重要且几个知识点前后关系紧密，我们一口气学完效果更好。

3. 声明类型、实现类型、空指针

上节课，我们学习了：基类做基类的事，派生类做派生类的事——事实上，这是更早之前，我们所学习的 “类型即约束” 的又一体现。

C++是静态（类型）语言，因此定义一个变量（或称对象），总是要马上给它一个类型，这就造成了一个对象所能具备的功能，会在“出生”（定义）时——也就是我们写代码时就确定了。

这显得太不灵活了，并且也违反我们的日常认知。我们总是认为，一个人所能具备的功能，应该既受它的类型（基因）影响，也会因后天因素而改变。

比如 Person 和 Beauty 的例子，善良的我们总是觉得，应该在写代码时，让变量一开始都是 Person, 而后再依据情况来确定，这个变量是继续当 Person，还是成为 Beauty。

堆对象可以拥有两块独立且又有“指向”关联的内存，这真是“冥冥之中”的安排：两块内存，不就可以为它们设置两种不同的类型吗？

当然，也不能是完全不相关的两种类型，最典型的应用，就是栈内存（本质是个指针）的类型设定为基类，而堆内存的类型设定为派生类。于是就有：

基类* p = new 派生类; 

套用到我们的例子上：

Person* p = new Beauty;

我们把指针一开始声明的类型，称为对象的“声明类型”，而实际指向的类型，称为对象的“实际类型”。本例中，对象 p 的声明类型是 Person，实际类型是 Beauty。

除了占用两段内存以外，指针变量的初始化过程显然也是两段式的，一是定义它是什么类型，二是指向实际的数据。之前我们都是在定义指针变量时，直接让它指向新建的某个对象，但事实上，指针可以在一开始时，什么都不指向，方法是让它指向0，或指向 NULL符号（该符号在C++中最终也被定义为 0），或指向nullptr。

nullptr是C++11标准引入的，是 null - pointer 的缩写，意为“空指针”：

Person* p = nullptr;

现在，p 是一个空指针——什么也没指向，所以它宛如白纸一张，充满了无限可能……

4. 虚函数

4.1 语法与作用

上例中， p 的声明类型和实际类型不一致，为方便表达，我们称这种情况为 “名实不一”。

在名实不一的情况下，有些语言直接就使用实际类型来约束对象，C++则非常“实在”地，默认使用代码中，该对象一开始声明的类型来约束它。因此，下面的代码中实际调用的，仍然是基类Person的Introduce()。

Person* p = new Beauty;
p->Introduce(); // "大家好，我叫XXX"

想要让p能依据自己的实际类型，来作自我介绍，需让 Introduce() 成为虚函数。方法的第一步是：在基类中，将 Introduce() 加上 virtual 关键字的修饰。

struct Person
{
     /* 构造与析构，略 */
     
     virtual void Introduce()
     {
         // 基类自我介绍的实现，略
     }

     string name;
}; 

方法的第二步是，在派生类中实现一模一样（名字、入参列表、返回类型）的方法，并在函数头和函数体之间，加上 override 关键字修饰。

struct Beauty : Person
{
     void Introduce() override
     {
          // 派生类自我介绍的实现，略
     }
};

现在，以下代码最终走的，就是派生类（Beauty）自身版本的 Introduce() 方法了。

Person* p = new Beauty;
p->Introduce(); // "大家好，我是美女XXX，想得到大家的多多关照哦"

如课堂视频所说，派生类在函数标注上，总共有 4 种做法：

4.2 虚析构函数

假设 Introduce() 从基类 Person 起就已经是虚函数，以下代码：

Person* p = new Beauty;
p->Introduce(); // (1) 虚函数发挥作用！
delete p; // (2) 只调用了 Person 的析构函数。

我们已经知道，对一个指针对象调用 delete 操作，将：

1. 调用对象的析构函数（用户定制或编译器默认生成的）；
2. 释放对象所占用的堆内存；

但上述代码的 delete 操作，如（2）所注释所说 delete p 只调用了它的声明类型 Person 所定义的析构；没有调用它的实际类型 Beauty 的析构函数。

有同学会说：Beauty 类本来也没有析构函数啊？
Beauty 类没有我们（程序员）自定义的析构函数，但有编译器默认生成的析构函数。

不过，为了观察方便，我们还是来为 Beauty 定制一款析构，一款充满文艺范的析构：

struct Beauty : Person
{
    ~Beauty() { cout << "人生似蚍蜉，似朝露；似秋天的草，似夏日的花……" << endl; }

    void Introduce override 
    { /*略*/ }
};

大家一定要按课堂视频的内容，亲手实测，验证当前的代码中的 delete p 并不会引发 ~Beauty() 被调用。

解决办法也简单，让析构函数也成为虚的：

struct Person
{
    virtual ~Person() {/*略*/} // 基类：虚析构
};

struct Beauty : Person
{
    ~Beauty() override { /*略*/ } // 派生类，覆盖基类
};

虚析构函数既是虚函数，也是析构函数……

所以，现在的代码中，派生类的析构函数“覆盖/override”了基类的析构函数，但并不影响当我们 delete 派生类对象—— 或者名为基类但实际指向派生类 的对象时的“拆楼”工程：先调用派生类的析构，再调用基类的析构。

因此，当我们 delete p 时，你将最终既看到 “……夏日的花……”，又将听到 “哇哇~”。

4.3 隐秘的内存泄漏

假设 ~Person() 方法不是虚的，那么以下代码可能此发一种隐藏得很好的内存泄漏：

Person* p = new Beauty; delete p;

如前所述，delete 需要完成的第二个操作是：释放对象所占用的堆内存。

现在对象存在“名实不一”，而当前析构函数非虚，于是析构过程将从基类开始。注意，这将不仅造成派生类的析构函数未被调用，它将造成内存释放也从基类开始，结果就是：派生类额外占用的内存，将未被释放。

幸好，我们的派生类 Beauty 一直只拥有继承自基类的 name 属性——它会被释放——而没有自己数据，因此并没有实际泄漏内存——没有额外占用内存，何来泄漏内存？

当然，这可不是我们写有可能泄漏内存的代码的理由。干脆，反正后面的课堂里也要用到，我们就为 Beauty 加上一些成员数据吧：

// 派生类
struct Beauty : public Person
{
	~Beauty() override 
	{ cout << "人生似蚍蜉，似朝露，似秋天的草，似夏日的花……" << endl; }
	
	void Introduce() override
	{
        cout << "大家好，我是美女"  << name 
            << "，想得到大家的多多关照哦~"  << endl;         		
	}
	
	int bust;
	int waist;
	int hips;
};

丁小明同学举手问：“老师，bust 、waist、hips 都有多大啊？假如发生内存泄漏的话……”

后半句话还没说完，他就已经被老师我“请”出教室了！丁小明你太流氓了！咱课堂上还有不少女同学呢！

5. 虚函数测试案例

完整测试代码如下：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

// 基类
struct Person
{
	Person() { cout << "哇哇~" << endl; }
	virtual ~Person() { cout << "呜呜~" << endl; } // 虚析构

	virtual void Introduce() // 自我介绍，虚函数
	{
       cout << "大家好，我叫：" << name << endl;		
	}
	
	string name;
};

// 派生类
struct Beauty : public Person
{
	~Beauty() override 
	{ cout << "人生似蚍蜉，似朝露，似秋天的草，似夏日的花……" << endl; }
	
	void Introduce() override
	{
        cout << "大家好，我是美女"  << name 
            << "，想得到大家的多多关照哦~"  << endl;         		
	}
	
	int bust;
	int waist;
	int hips;
};


int main()
{
    Person * p = nullptr;
    
    cout << "请输入命运的数字：";
    
    int fortune = 0;
    
    cin >> fortune;
    
    if (fortune == 9999)
    {
        p = new Beauty;
        p->name = "幸运的小美";
    }
    else 
    {
        p = new Person;
        p->name = "大春";
    }
    
    cout << "开始你的自我介绍：" << endl;
    
    p->Introduce();
    
    delete p;
}

6. 综合案例

6.1 输入整数并判断正误

如前一案例，输入一个整数可以直接使用：

cin >> 整数变量;

问题难在出错情况：用户可能输入的根本不是整数，比如输入了一堆’a’、‘b’、'c’之类的字母，甚至输入的是汉字……

解决方法是检查输入流对象 cin 的状态。输入流的 fail() 方法如果返回 true，表明它已经进入失败状态。在失败状态下，cin 什么做不了，除了清除状态：

cin.clear();

但是，在明明有误的情况下，如果只是调用 clear() 来清除失败状态，岂不是掩而盗铃？我们还应该将所有有问题的输入，都忽略掉，因此，按理代码应是：

if (cin.fail()) // 输入有误
{
    cin.clear();
    cin.ignore(...); // “吃”（忽略）掉所有出错的输入内容
}

既：出错后，再清除状态且忽略出错的输入内容。不过，正确写法确是：

if (cin.fail()) // 输入有误
{
    cin.clear();
}

cin.ignore(...) // 忽略，具体参数暂略

这是因为，C++接收控制台（以及Linux下的终端等）的输入，以“换行”为触发。比如用户要输入一个整数 9999, 实际他需要在输入 9999 之后，再按下回车键，程序才能读到 9999，此时输入缓存区中，还有一个换行符。我们要把这个换行符也忽略掉——哪怕用户前面的输入一切正常。

在我们当前这个例程中，后面还需要读入名字，采用的是我们熟悉的 getline()操作。和 cin >> sel 读取整数但只读到回车换行符（或者空格等非数字的分隔符）对比， getline() 会主动读到且包括回车换行，因此它不会在输入缓存区中留下那个换行符。

ignore 可以完全不带参数调用：

cin.ignore();

此时它就只忽略一个字符，用于处理本例中用户规规矩矩输入一个整数的情况是可行的，但无法处理用户输入一堆字母，比如输入的是 “qewwerwerweruytru”的情况。因此，我们的策略是：让cin一直读输入缓存区，并且读一个就抛弃（“吃掉”）一个，直到以下情况再停止：

• 缓存区里没有残留的字符了
• 读到了一个换行符（在C/C++代码中，用 ‘\n’ 表示换行符）
• 读了 99 个字符，上面的两种情况还是没有成立

具体代码是：

cin.ignore(99, '\n');

这行代码作用很棒：用户规矩输入，它就只需读一个字符就发现是 ‘\n’；用户如果不规矩输入，它就能一直读，只要错误字符不超过 99 个，都能处理。

当然可以让代码更加健壮，那就是用个特殊的常量数值来取代这里的 99:

#include <limits>

constexpr auto max_input_size = std::numeric_limits<std::streamsize>::max();

...
cin.ignore(max_input_size, '\n');

max_input_size将是C++程序所能一次性读取到的，以及输入缓存区最大能存储的字符个数。

6.2 综合案例的完整代码

我们把 max_input_size 也用上，现在完整代码如下。

#include <iostream>
#include <string>
#include <limits>

using namespace std;

// 基类
struct Person
{
	Person() { cout << "哇哇~" << endl; }
	virtual ~Person() { cout << "呜呜~" << endl; } // 虚析构

	virtual void Introduce() // 自我介绍，虚函数
	{
       cout << "大家好，我叫：" << name << endl;		
	}
	
	string name;
};

// 派生类
struct Beauty : public Person
{
	~Beauty() override 
	{ cout << "人生似蚍蜉，似朝露，似秋天的草，似夏日的花……" << endl; }
	
	void Introduce() override
	{
        cout << "大家好，我是美女"  << name 
            << "，想得到大家的多多关照哦~"  << endl;         		
	}
	
	int bust;
	int waist;
	int hips;
};

constexpr auto max_input_size = std::numeric_limits<std::streamsize>::max();

int main()
{
	while(true)
	{
		Person* someone = nullptr;
		
		// 菜单 
		cout << "请选择（1 / 2 / 3 ）\n"
			<< "1 - 普通人\n"
			<< "2 - 美人\n"
			<< "3 - 退出" << endl;
			
		int sel = 0;
		cin >> sel; // 接收用户输入的整数
		
		if (cin.fail()) // 是否处于失败状态（比如用户输入的不是整数）
		{
			cin.clear(); // 清除失败状态
		}
		
		cin.ignore(max_input_size, '\n'); //查找并跳过换行符
		
		if (sel == 3) // 千万别写成 sel = 3 
		{
			break;
		}
		
		if (sel == 1)
		{
			someone = new Person;
		}
		else if (sel == 2)
		{
			someone = new Beauty;
		}
		
		if (someone == nullptr)
		{
			cout << "输的什么鬼？重来！" << endl;
		}
		else
		{
			// 有人诞生了哦！在此统一做以下行为：
			// 1、输入姓名，2、自我介绍，3、释放
			cout << "=========\n";
			
			cout << ">>>>你的姓名：";
			getline(cin, someone->name);
			
			cout << ">>>>" << someone->name << "，开始你的自我介绍吧" << endl;
			someone->Introduce();
			cout << "=========\n";
			
			delete someone;
		}				
	} // 结束 while
}