封装、继承、多态、重载：C++中的强大特性与代码设计

这里写目录标题

• 封装
• • C语言封装风格
  • C++封装
• 继承
• 多态
• • 多态的实现
  • 虚函数概念：
  • 虚表指针
  • overload
  • overwrite
  • override
  • 抽象类
• 重载

封装

C++中的封装是一种面向对象编程的概念，它将数据（成员变量）和操作（成员函数）封装在一个类中，通过访问控制来限制对类内部实现的访问。封装提供了类与外部世界之间的接口，隐藏了类的内部实现细节，提高了代码的可维护性和安全性。

在C++中，封装可以通过使用访问修饰符（public、private、protected）来实现：

public（公有）访问修饰符允许类的成员在类的外部被访问，也可以在类的内部被访问。通常将公有成员函数作为类的接口，供外部使用。
private（私有）访问修饰符将类的成员隐藏在类的内部，外部无法直接访问私有成员变量和私有成员函数。通常将私有成员用于实现类的内部逻辑。
protected（保护）访问修饰符与私有访问修饰符类似，但允许派生类（子类）访问基类中的保护成员。
下面是一个简单的封装示例：

class MyClass {
private:
    int privateData;  // 私有成员变量

public:
    void setPrivateData(int data) {  // 公有成员函数
        privateData = data;
    }

    int getPrivateData() const {  // 公有成员函数
        return privateData;
    }
};

int main() {
    MyClass obj;
    obj.setPrivateData(42);
    int data = obj.getPrivateData();
    return 0;
}

在上面的示例中，私有成员变量privateData被封装在类MyClass中，外部无法直接访问。通过公有成员函数setPrivateData和getPrivateData来操作私有成员变量。

封装可以提供更好的代码组织和管理方式，同时也增强了代码的安全性，因为外部代码无法直接修改和访问类的内部数据。

C语言封装风格

当单一变量无法完成描述需求的时候，结构体类型解决了这问题。可以将多个类型打包成一体，形成新的类型，这是c语言中封装的概念。但是，新类型并不包含对数据类的操作，所有操作都是通过函数的方式，去进行封装。

1 #include<iostream>
  2 #include<string>
  3 using namespace std;
  4 
  5 struct person
  6 {
  7     string name;
  8     int age;
  9     int height;
 10 };
 11 void init(person* p)
 12 {
 13     p->name = "jiejie";
 14     p->age = 20;
 15     p->height = 130;
 16 }
 17 void show(person p)
 18 {
 19     cout<<"p.name = "<<p.name<<endl;
 20     cout<<"p.age = "<<p.age<<endl;
 21     cout<<"p.height = "<<p.height<<endl;
 22 }
 23 int main()
 24 {
 25     person per;
 26     init(&per);
 27     show(per);
 28 
 29     return 0;
 30 }
           

把数据放到一起用struct包装，然后把数据以引用或指针的方式传给行为。

C++封装

C++的封装认为C语言的封装不彻底，对于数据和行为分类，没有权限控制。
C++则提供控制选择，将数据和行为放在一起，对内开放数据，逻辑抽象。对外提供接口

  1 #include<iostream>
  2 using namespace std;
  3 
  4 class person
  5 {   
  6     public: 
  7         int num;
  8         void init()
  9         {
 10             cin>>this->num;
 11             cin>>this->age;
 12             cin>>this->height;
 13         }
 14         void show()
 15         {
 16             cout<<num<<endl;
 17             cout<<age<<endl;
 18             cout<<height<<endl;
 19         }
 20     
 21     protected:
 22         int age;
 23     private:
 24         int height;
 25 };
 26 int main()
 27 {
 28     person p;
 29     p.init();
 30     p.show();
 31     return 0;
 32 }
  

基本流程：
通过创建一个类，再通过创建类对象 再由对象调用行为，完成需求。

继承

C++中的继承是面向对象编程的一个重要概念，它允许一个类（派生类/子类）从另一个类（基类/父类）继承属性和行为。继承可以通过创建一个新类并从基类派生来实现，新类将自动获得基类的成员变量和成员函数，同时可以添加新的成员或重写基类的成员函数。

继承的主要目的是实现代码的重用和构建类之间的层次关系。在继承关系中，基类被称为超类或父类，派生类被称为子类。
一般定义格式如下：

class 派生类名标识符: [继承方式] 基类名标识符
{
[访问控制修饰符]
[成员声明列表]
};

继承方式有3种，分别为公有型，保护型和私有型，访问控制修饰符也是public，protected，private 类型。
成员声明列表中包含类成员变量以及成员函数，是派生类新增的成员。
“:”是一个运算符，表示基类和派生类之间的继承关系。

C++中的继承有以下几种类型：

公有继承（public inheritance）：派生类继承了基类的公有成员和保护成员，并且这些成员在派生类中的访问权限与基类中的一样。派生类的对象可以直接访问基类的公有成员。

私有继承（private inheritance）：派生类继承了基类的公有成员和保护成员，但是这些成员在派生类中的访问权限变为私有。派生类的对象不能直接访问基类的公有成员，只能通过派生类的成员函数来间接访问。

保护继承（protected inheritance）：派生类继承了基类的公有成员和保护成员，但是这些成员在派生类中的访问权限变为保护。派生类的对象不能直接访问基类的公有成员，只能通过派生类的成员函数来间接访问。

在C++中，使用关键字class或struct来定义一个类，并使用关键字public、private或protected来指定成员的访问权限。

下面是一个简单的继承示例：

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

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() {
        std::cout << "Drawing a rectangle" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Shape shape;
    shape.draw();  // 输出："Drawing a shape"

    Rectangle rectangle;
    rectangle.draw();  // 输出："Drawing a rectangle"

    return 0;
}

在上面的示例中，Shape类是基类，它有一个公有成员函数draw。Rectangle类是派生类，通过public关键字继承了Shape类。Rectangle类重写了draw函数，实现了自己的绘制行为。在main函数中，我们分别创建了Shape对象和Rectangle对象，并调用了它们的draw函数。

继承是一种强大的代码复用工具，它可以使得类之间的关系更加清晰和有组织。通过继承，派生类可以继承基类的接口和实现，并且可以添加自己的功能或修改基类的行为。

继承是面对对象的主要特性之一，它使一个类可以从现有类中派生，而不必重新定义一个类。

实质：用已有的数据类型创建新的数据类型，并保留已有数据类型的特点，以旧类为基础创建新类，新类包含旧类的数据成员和成员函数。并且·可以在新类中添加新的数据成员和成员函数。
旧类被称为基类或者父类，新类被称为派生类或者子类。

多态

C++中的多态是面向对象编程的一个重要概念，它允许使用指针或引用来处理不同类型的对象，而实际上执行的是根据对象类型动态选择的相关操作。多态性可以提高代码的灵活性、可复用性和可扩展性。

C++中的多态性主要通过虚函数（virtual function）和运行时类型识别（runtime type identification）两个机制来实现：

虚函数：在基类中声明虚函数，并在派生类中进行重写。当通过指向基类的指针或引用调用虚函数时，将根据实际对象的类型来选择正确的函数实现。这种动态选择函数的机制称为动态绑定（dynamic binding）。虚函数通过关键字virtual进行声明。

运行时类型识别（RTTI）：C++提供了dynamic_cast和typeid两个运算符来进行运行时类型识别。dynamic_cast用于将基类指针或引用转换为派生类指针或引用，如果转换成功，返回指向派生类的指针或引用；如果转换失败，则返回空指针或抛出bad_cast异常。typeid用于获取表达式的实际类型。

下面是一个简单的多态示例：

#include <iostream>

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

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a rectangle" << std::endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a circle" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Shape* shapePtr;

    Rectangle rectangle;
    Circle circle;

    shapePtr = &rectangle;
    shapePtr->draw();  // 输出："Drawing a rectangle"

    shapePtr = &circle;
    shapePtr->draw();  // 输出："Drawing a circle"

    return 0;
}

在上面的示例中，Shape类有一个虚函数draw，Rectangle和Circle类分别是派生自Shape的两个子类，并重写了draw函数。在main函数中，我们使用指向基类的指针shapePtr来处理不同类型的对象。通过将shapePtr指向Rectangle对象和Circle对象，并调用draw函数，会根据对象的实际类型选择正确的函数实现。

多态性使得我们可以以一种统一的方式来处理不同类型的对象，而不需要关心对象的具体类型。这样可以使代码更具灵活性和可维护性，同时提供了一种机制来实现运行时的动态行为。

多态的实现

静态绑定：在编译期决定
函数重载
运算符重载
模板
动态绑定：在程序运行时执行
虚函数

虚函数概念：

在基类中冠以关键字virtual的成员函数
定义：
virtual函数类型 函数名称（参数列表）
如果一个函数在基类中被声明为虚函数，则它在所有派生类中都是虚函数。
只有通过基类指针或引用调用虚函数才能引发动态绑定
虚函数不能声明为静态
如果一个类要做为多态基类，要将析构函数定义为虚函数

虚表指针

虚函数的动态绑定是通过虚表来实现的
包含虚函数的类头4个字节存放指向虚表的指针

overload

成员函数被重载的特征：
相同的范围（在同一类中）
函数名字相同
参数不同
virtual关键字可有可无

overwrite

覆盖是指派生类函数覆盖基类函数 特征是：
不同的范围
函数名字相同
参数相同
基类函数必须有virtual关键字

override

重定义（派生类与基类）
不同的范围（分贝位于派生类和基类）
函数名与参数都相同，无virtual关键字
函数名相同，参数不同，virtual可有可无

抽象类

作用：
抽象类作为抽象设计的目的而声明，将有关的数据和行为组织在一个继承层次结构中，保证派生类具有要求的行为。
对于暂时无法实现的函数，可以声明为纯虚函数，留给派生类去实现
注意：
抽象类只能作为基类来使用
不能声明抽象类的对象，可以使用抽象类的指针和引用
构造函数不能是虚函数，析构函数可以是虚函数
可以试用指向抽象类的指针支持运行时多态性
派生类中必须实现基类中的纯虚函数，否则被看做一个抽象类

对于一个没有任何接口的类，如果想要将它定义成抽象类，只能将虚构函数声明为纯虚的
通常情况下在基类中纯虚函数不需要实现，例外是纯析构函数要给出实现

重载

在C++中，函数重载（Function Overloading）是指在同一个作用域内，可以定义多个具有相同名称但参数列表不同的函数。通过函数重载，可以根据参数的类型、顺序和个数来区分不同的函数，并且可以为相同的操作提供不同的实现。

函数重载的特点如下：

函数名称相同：重载的函数必须具有相同的名称。

参数列表不同：重载的函数必须具有不同的参数列表，可以通过参数的类型、顺序和个数的不同来区分。

返回值类型不同不足以实现函数重载：函数的返回值类型不能作为重载函数的区分标准，因为函数调用时通常会忽略返回值。

举例如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;

class interage
{
    int inter;
    public:
        interage(int in)
        {
            inter = in;
        };
        ~interage(){};
        interage& operator++()
        {
            ++inter;
            return *this; 
        }
        interage operator++(int in)
        {
            interage temp(inter);
            inter++;
            return temp;
        }

        void display()
        {
            cout<<inter<<endl;
        }

};
int main()
{
    interage in(10);
    in.display();
    interage in2 = ++(++in);
    in2.display();
    
    interage in3 = in2++;
    in3.display();
    in3.display();
    return 0;
}

通过函数重载，我们可以在C++中实现更加灵活和易于使用的代码。函数重载允许我们使用相同的函数名，但根据参数的类型、顺序和个数来区分不同的函数。这样，我们可以提供不同的函数实现来处理各种情况，而无需为每种情况编写不同的函数名称。

函数重载使得代码更具可读性和可维护性，同时提供了一种方便的方式来进行函数扩展和适应不同的需求。然而，在使用函数重载时，需要注意避免产生歧义或混淆，确保函数之间的区分明确。

总而言之，函数重载是C++中一个强大的特性，可以使代码更加灵活和易于使用，为我们提供了更多的选择和可能性。合理地利用函数重载，可以使我们的代码更加清晰、高效，同时提高开发效率和代码的可维护性。