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关于C++纯虚函数与抽象类的实例

  • 时间:2016-12-28
  • 发布:广州C++培训
  • 来源:达内新闻

[例12.4] 虚函数和抽象基类的应用。

我们在例12.1介绍了以Point为基类的点—圆—圆柱体类的层次结构。现在要对它进行改写,在程序中使用虚函数和抽象基类。

类的层次结构的顶层是抽象基类Shape(形状)。Point(点), Circle(圆), Cylinder(圆柱体)都是Shape类的直接派生类和间接派生类。

下面是一个完整的程序,为了便于阅读,分段插入了一些文字说明。程序如下:

第(1)部分

#include

using namespace std;

//声明抽象基类Shape

class Shape

{

public:

virtual float area( )const {return 0.0;} //虚函数

virtual float volume()const {return 0.0;} //虚函数

virtual void shapeName()const =0; //纯虚函数

};

Shape类有3个成员函数,没有数据成员。3个成员函数都声明为虚函数,其中shapeName声明为纯虚函数,因此Shape是一个抽象基类。

shapeName函数的作用是输出具体的形状(如点、圆、圆柱体)的名字,这个信息是与相应的派生类密切相关的,显然这不应当在基类中定义,而应在派生类中定义。所以把它声明为纯虚函数。Shape虽然是抽象基类,但是也可以包括某些成员的定义部分。

类中两个函数area(面积)和volume (体积)包括函数体,使其返回值为0(因为可以认为点的面积和体积都为0)。由于考虑到在Point类中不再对area和volume函数重新定义,因此没有把area和volume函数也声明为纯虚函数。在Point类中继承了Shape类的area和volume函数。这3个函数在各派生类中都要用到。

第(2)部分

//声明Point类

class Point:public Shape//Point是Shape的公用派生类

{

public:

Point(float=0,float=0);

void setPoint(float ,float );

float getX( )const {return x;}

float getY( )const {return y;}

virtual void shapeName( )const {cout<<"Point:";}//对虚函数进行再定义

friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &);

protected:

float x,y;

};

//定义Point类成员函数

Point::Point(float a,float b)

{x=a;y=b;}

void Point::setPoint(float a,float b)

{x=a;y=b;}

ostream & operator <<(ostream &output,const Point &p)

{

output<<"["<

return output;

}

Point从Shape继承了3个成员函数,由于“点”是没有面积和体积的,因此不必重新定义area和volume。虽然在Point类中用不到这两个函数,但是Point类仍然从Shape类继承了这两个函数,以便其派生类继承它们。

shapeName函数在Shape类中是纯虚函数, 在Point类中要进行定义。

Point类还有自己的成员函数( setPoint, getX, getY)和数据成 员(x和y)。

第(3)部分

//声明Circle类

class Circle:public Point

{

public:

Circle(float x=0,float y=0,float r=0);

void setRadius(float );

float getRadius( )const;

virtual float area( )const;

virtual void shapeName( )const {cout<<"Circle:";}//对虚函数进行再定义

friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &);

protected:

float radius;

};

//声明Circle类成员函数

Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){}

void Circle::setRadius(float r):radius(r){}

float Circle::getRadius( )const {return radius;}

float Circle::area( )const {return 3.14159*radius*radius;}

ostream &operator <<(ostream &output,const Circle &c)

{

output<<"["<

}//对虚函数进行再定义

friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&);

protected:

float height;

};

//定义Cylinder类成员函数

Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){}

void Cylinder::setHeight(float h){height=h;}

float Cylinder::area( )const{

return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;

}

float Cylinder::volume( )const{

return Circle::area( )*height;

}

ostream &operator <<(ostream &output,const Cylinder& cy){

output<<"["<

pt=&circle; //指针指向Circle类对象

pt->shapeName( ); //动态关联

cout<<"x="<

pt=&cylinder; //指针指向Cylinder类对象

pt->shapeName( ); //动态关联

cout<<"x="<

return 0;

}

在主函数中调用有关函数并输出结果。先分别定义了 Point类对象point,Circle类对象circle和Cylinder类对象cylinder。

然后分别通过对象名point, circle和cylinder调用 了shapeNanme函数,这是属于静态关联,在编译阶段就能确定应调用哪一个类的 shapeName函数。同时用重载的运箅符“<<”来输出各对象的信息,可以验证对象初始化是否正确。

再定义一个指向基类Shape对象的指针变量pt,使它先后指向3个派生类对象 point, Circle和cylinder,然后通过指针调用各函数,如 pt->shapeName( ),pt ->area(), pt->volume( )。这时是通过动态关联分别确定应该调用哪个函数。分别输出不同类对象的信息。

程序运行结果如下:

Point:[3.2,4.5](Point类对象point的数据:点的坐标)

Circle:[2.4,1.2], r=5.6 (Circle类对象circle的数据:圆心和半径)

Cylinder:[3.5,6.4], r=5.5, h=10.5 (Cylinder类对象cylinder的数据: 圆心、半径和高)

Point:x=3.2,y=4.5 (输出Point类对象point的数据:点的坐标)

area=0 (点的面积)

volume=0 (点的体积)

Circle:x=2.4,y=1.2 (输出Circle类对象circle的数据:圆心坐标)

area=98.5203 (圆的面积)

volume=0 (圆的体积)

Cylinder:x=3.5,y=6.4 (输出Cylinder类对象cylinder的数据:圆心坐标)

area=512.595 (圆的面积)

volume=891.96 (圆柱的体积)

从本例可以进一步明确以下结论:

一个基类如果包含一个或一个以上纯虚函数,就是抽象基类。抽象基类不能也不必要定义对象。

抽象基类与普通基类不同,它一般并不是现实存在的对象的抽象(例如圆形(Circle)就是千千万万个实际的圆的抽象),它可以没有任何物理上的或其他实际意义方面的含义。

在类的层次结构中,顶层或最上面的几层可以是抽象基类。抽象基类体现了本类族中各类的共性,把各类中共有的成员函数集中在抽象基类中声明。

抽象基类是本类族的公共接口。或者说,从同一基类派生出的多个类有同一接口。

区别静态关联和动态关联。如果是通过对象名调用虚函数(如point.shapeName()),在编译阶段就能确定调用的是哪一个类的虚函数,所以属于静态关联。 如果是通过基类指针调用虚函数(如pt ->shapeName()),在编译阶段无法从语句本身确定调用哪一个类的虚函数,只有在运行时,pt指向某一类对象后,才能确定调用的是哪 一个类的虚函数,故为动态关联。

如果在基类声明了虚函数,则在派生类中凡是与该函数有相同的函数名、函数类型、参数个数和类型的函数,均为虚函数(不论在派生类中是否用virtual声明)。

使用虚函数提高了程序的可扩充性。把类的声明与类的使用分离。这对于设计类库的软件开发商来说尤为重要。

开发商设计了各种各样的类,但不向用户提供源代码,用户可以不知道类是怎样声明的,但是可以使用这些类来派生出自己的类。利用虚函数和多态性,程序员的注意力集中在处理普遍性,而让执行环境处理特殊性。

多态性把操作的细节留给类的设计者(他们多为专业人员)去完成,而让程序人员(类的使用者)只需要做一些宏观性的工作,告诉系统做什么,而不必考虑怎么做,极大地简化了应用程序的编码工作,大大减轻了程序员的负担,也降低了学习和使用C++编程的难度,使更多的人能更快地进入C++程序设计的大门。

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