面向对象——多态、封装、继承、组合

面向对象

2.1 多态的实现方式

多态性主要通过两种方式实现：编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态)

• 静态多态：函数重载和运算符重载实现。 -> 编译期决定调用哪个函数
  • 函数重载：同一个作用域内存在多个同名函数，但它们的参数类型或数量不同；根据参数编译器决定调用哪个函数
  • 运算符重载：允许定义大部分C++内置的运算符，使得它们可以根据操作数的类型执行不同的操作。
• 动态多态：通过虚函数和继承实现。 -> 运行时决定调用哪个函数。使用虚函数表（vtable）和动态绑定。

动态多态实现原理

• ⭐虚函数: 通过在基类中声明 virtual 函数，允许派生类中重写该函数。编译器生成**虚函数表（vtable）**来支持运行时的动态绑定。
• ⭐虚函数表（vtable）：
  • 每个包含虚函数的类都会有一个虚函数表（vtable），它是一个存储指向虚函数实现的指针数组。表中的每个指针指向该类及其派生类的虚函数实现。
  • ⭐虚表指针（vptr）:
    • 每个对象包含一个隐藏的指针（vptr），指向所属类的虚函数表。
    • 对象构造时，vptr 被初始化为指向对应类的虚函数表。

动态绑定的过程

• 当通过基类指针或引用调用虚函数时：
  1. 编译器通过对象的虚表指针(vptr ) 找到对应的虚函数表（vtable）。
  2. 在虚函数表（vtable）中查找虚函数实现的函数指针。
  3. 调用实际的函数实现。

//示例虚函数
class Base {
public:
    virtual void func() { cout << "Base::func" << endl; } // 虚函数
    virtual ~Base() {} // 虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override { cout << "Derived::func" << endl; } // 重写虚函数
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived(); // 基类指针指向派生类对象
    ptr->func(); // 调用 Derived::func，动态绑定
    delete ptr;
    return 0;
}

当我们调用ptr->func();时：基类指针ptr指向Derived对象，并通过ptr的vptr虚表指针找到Derived虚表，最后在虚表中找到func()的实现。

2.1.1 虚函数是怎么实现的？

虚函数的实现依赖于两个核心概念：**虚函数表（vtable）**和 虚表指针（vptr）。

虚函数表（vtable）：每个包含虚函数的类都有一张虚函数表，它是一个存储函数指针的数组。存储了当前类及其派生类的所有虚函数的实现地址。派生类会继承基类的虚函数表，并根据需要覆盖其中的函数指针。

虚表指针（vptr）：每个包含虚函数的对象都有一个隐藏成员，称为虚表指针（vptr）。在对象创建时，vptr 被初始化为指向该类的虚函数表。当调用虚函数时，编译器通过 vptr 查找虚函数表中的函数指针，然后调用实际的函数实现。

2.2 封装、继承、多态、组合

封装

将数据和操作数据的方法绑定在一起，对外隐藏对象的内部实现细节，只暴露必要的接口。

特点：

• 数据隐藏：类的私有成员变量和方法对外部不可见。
• 接口公开：通过公共方法访问和修改内部数据。
• 提高代码的安全性和可维护性。

继承

用于在类之间建立层次结构，使子类可以复用父类的属性和行为。

特点：

• “is - a”关系：子类和父类具有明确的层次结构和共性
• 代码复用：子类继承基类的公共代码，减少重复代码
• GUI 系统中，QWidget 是所有控件的基类。

继承可能导致过度耦合，应优先考虑组合（“has-a”）而非继承

多态

允许程序在运行时根据实际对象类型执行不同的行为

特点：

• 动态行为切换：行为依赖于对象的实际类型
• 接口统一：定义一组统一的接口供不同实现使用
• 解耦：调用方无需了解具体子类类型

组合

通过将对象组合成更复杂的对象来实现功能，而不是依赖继承。

特点：

• “has-a”关系：对象包含另一个对象。
• 更灵活，避免了继承导致的高耦合。