C++多态与抽象类：代码重用与扩展的6大策略模式

# 1. C++多态与抽象类基础

在面向对象编程的世界里，多态和抽象类是实现灵活性和可扩展性的关键概念。多态允许同一操作作用于不同的对象时，能有不同的解释和不同的执行结果。而抽象类则是提供了一个抽象层次的接口，可以包含抽象方法，这样的方法必须由派生类具体实现。本章将为读者揭开C++中多态与抽象类的神秘面纱，并展示如何利用这些基础概念构建可扩展和灵活的代码结构。

首先，我们将深入探讨多态的概念，理解其分类并揭示动态绑定和虚函数的实现机制。随后，我们将会分析抽象类在代码设计中的作用和特点，解释纯虚函数的使用场景及其重要性。此外，本章还会解析组合与继承在实现多态中的应用，讨论它们的优势与限制，以及如何在设计时作出最佳决策。

通过本章的学习，读者将能够掌握多态和抽象类的基础知识，为深入理解后续章节中的设计模式打下坚实的基础。

# 2. 理解多态与抽象类的理论基础

## 2.1 C++多态的概念和实现机制

### 2.1.1 多态的定义和分类

多态是面向对象程序设计的核心概念之一，指的是不同类的对象对同一消息做出响应的能力。在 C++ 中，多态可以分为编译时多态和运行时多态。

编译时多态（静态多态）主要通过函数重载和模板实现。函数重载允许使用相同名字的函数，它们的参数类型或数量不同，编译器根据函数调用时的参数类型来决定调用哪个函数。模板提供了一种参数化的抽象机制，允许编译器为不同的数据类型生成代码。

运行时多态（动态多态）是通过虚函数实现的。在运行时，程序通过对象的地址来调用对象的虚函数，而具体的函数实现是在运行时才确定的，因此能够实现对不同派生类对象的特定行为。

### 2.1.2 动态绑定与虚函数

动态绑定是指在程序运行期间确定调用哪个函数的过程。在 C++ 中，动态绑定是通过虚函数来实现的。虚函数允许在派生类中重新定义基类中的函数，从而实现行为的覆盖。当通过基类指针或引用调用虚函数时，将根据对象的实际类型来调用相应的方法。

为了实现虚函数，C++ 在对象中引入了一个称为“虚表”的数据结构，其中存储了指向虚函数的指针。当通过基类指针调用虚函数时，编译器会生成特殊的代码来查找虚表，并通过虚表中的指针调用正确的函数。

class Base {
public:
    virtual void display() { cout << "Base::display" << endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void display() override { cout << "Derived::display" << endl; }
};

int main() {
    Base* bptr;
    Derived d;
    bptr = &d;
    bptr->display(); // 输出 "Derived::display"
    return 0;
}

在上面的代码中，`Base` 类中定义了一个虚函数 `display`，而 `Derived` 类重写了这个函数。当我们通过基类指针 `bptr` 调用 `display` 方法时，尽管指针指向的是一个 `Derived` 类的对象，但输出却是 "Derived::display"。这说明了运行时多态的效果。

## 2.2 抽象类的作用和特点

### 2.2.1 抽象类的定义和用途

在 C++ 中，一个含有至少一个纯虚函数的类被称为抽象类。纯虚函数是一个在基类中声明的函数，没有实现（即没有函数体），必须在派生类中被覆盖。抽象类不能被实例化，它存在的意义主要是为了声明接口，提供一个共有的形式框架。

抽象类通常用于定义一个接口，规定派生类必须实现哪些函数，而不需要关心具体的实现。通过抽象类，可以使得代码具有很好的可扩展性和可维护性。抽象类也是实现多态的一种方式，因为通过抽象类的指针或引用可以调用派生类中的具体实现。

### 2.2.2 纯虚函数的使用

纯虚函数是定义在抽象类中的虚函数，其形式为 `virtual 返回类型 函数名(参数列表) = 0;`。纯虚函数声明了接口规范，但它没有函数体，所以不能被直接调用。任何从抽象类继承的非抽象类都必须实现所有的纯虚函数，否则它也将成为一个抽象类。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() {} // 虚析构函数，保证多态性
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double area() const override { return width * height; }
};

int main() {
    Shape* rectPtr;
    Rectangle rect(10, 20);
    rectPtr = ▭
    cout << "Area of rectangle: " << rectPtr->area() << endl; // 输出 200
    return 0;
}

上述代码中定义了一个抽象类 `Shape`，其中 `area` 是一个纯虚函数。类 `Rectangle` 继承自 `Shape` 并实现了 `area` 函数。在主函数中，我们可以看到通过 `Shape` 类型的指针 `rectPtr` 调用了 `Rectangle` 类中的 `area` 函数，实现了多态。

## 2.3 组合与继承在多态中的应用

### 2.3.1 组合的优势和限制

组合（Composition）是面向对象设计中的一种机制，它是指在一个类中使用另一个类的对象。这种设计模式使得类能够重用其他类的功能，同时保持更低的耦合度和更高的内聚度。组合相比于继承，有几个明显的优势：

- **降低耦合度**：通过组合，可以在不改变类的外部接口的前提下，替换内部使用的对象，更加灵活。
- **复用性增强**：可以组合多个类来实现复杂的功能，提高了代码的复用性。
- **扩展性好**：添加新的类或改变组合关系比修改继承结构更容易。

然而，组合也有其限制：

- **实现细节复杂化**：过度使用组合可能导致类的内部逻辑变得复杂。
- **性能开销**：过多的组合可能导致程序需要创建更多的对象，从而增加内存和性能的开销。

### 2.3.2 继承的利弊和最佳实践

继承是面向对象编程的基础概念之一，它允许一个类（子类）继承另一个类（基类）的属性和方法。继承的优点包括：

- **代码复用**：子类可以直接复用基类的代码，避免了重复编写相同的代码。
- **类型多态**：继承是实现多态的重要机制。
- **逻辑分层清晰**：通过继承可以形成清晰的逻辑层次结构。

继承的缺点主要有：

- **强耦合性**：子类与基类之间的耦合度较高，不利于代码的扩展和维护。
- **设计僵化**：基类的改动可能会影响所有继承它的子类，导致代码僵化。

为了避免这些问题，应当遵循一些最佳实践：

- **使用组合替代继承**：当子类只需要基类的部分功能时，优先考虑组合。
- **定义清晰的接口**：确保基类定义的是接口而非具体的实现细节。
- **避免深度继承链**：尽量减少继承的深度，过多的继承层次会使得维护变得困难。

通过适当的组合和继承策略，可以构建出既灵活又高效的多态系统。在实际开发中，如何选择合适的设计模式，需要根据具体的应用场景和需求来决定。

# 3. 策略模式的六大实现策略

## 3.1 策略模式的基本原理

### 3.1.1 策略模式的定义
策略模式是一种行为设计模式，它定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的变化不会影响到使用算法的客户端。策略模式让算法独立于使用它的客户端而变化，使得算法可以灵活地切换。

### 3.1.2 策略模式的UML图解
策略模式的结构由三个主要部分组成：上下文（Context），策略接口（Strategy），以及具体策略（Concrete Strategies）。下图展示了一个典型的策略模式的UML结构图：

classDiagram
    class Context {
        <<interface>>
        +contextInterface()
        +setStrategy(Strategy)
        +getStrategy() Strategy
    }
    class Strategy {
        <<interface>>
        +algorithmInterface()
    }
    class ConcreteStrategyA {
        +algorithmInterface()
    }
    class ConcreteStrategyB {
        +algorithmInterface()
    }
    class ConcreteStrategyC {
        +algorithmInterface()
    }
    Context "1" -- "*" Strategy : uses >
    Strategy <|-- ConcreteStrategyA
    Strategy <|-- ConcreteStrategyB
    Strategy <|-- ConcreteStrategyC

在实际应用中，上下文类通过策略接口引用策略对象。客户端代码只与上下文类交互，当需要改变算法时，只需更换内部封装的策略对象即可。

## 3.2 策略模式的实际应用场景分析

### 3.2.1 动态行为的灵活切换
策略模式特别适合于那些需要在运行时根据不同的上下文选择不同算法的场景。例如，在一个图形用户界面（GUI）应用中，用户可能需要根据不同的情况选择不同的排序算法。

### 3.2.2 开闭原则的体现
策略模式遵循开闭原则，即对扩展开放，对修改关闭。当需要添加新的算法时，只需实现新的策略类，无需修改现有的上下文或其他策略。

## 3.3 策略模式的六大策略实现

### 3.3.1 策略接口的定义

策略模式的第一步是定义一个策略接口，用来封装所有具体策略的共性操作。

class StrategyInterface {
public:
    virtual ~StrategyInterface() {}
    virtual void algorithmInterface() = 0;
};

这里，`algorithmInterface`是一个纯虚函数，具体策略类将实现这个接口。

### 3.3.2 具体策略类的实现

接下来是实现具体的策略类。每一个策略类都实现策略接口并提供算法的不同实现。

class ConcreteStrategyA : public StrategyInterface {
public:
    void algorithmInterface() override {
        // 实现算法A
    }
};

class ConcreteStrategyB : public StrategyInterface {
public:
    void algorithmInterface() override {
        // 实现算法B
    }
};

class ConcreteStrategyC : public StrategyInterface {
public:
    voi