適合具備 C 語(yǔ)言基礎(chǔ)的 C++ 教程（九）

前言

在上一則教程中，敘述了關(guān)于C++類(lèi)型轉(zhuǎn)換的相關(guān)內(nèi)容，在本節(jié)教程中，將敘述 C++的另一個(gè)內(nèi)容，也就是抽象，這也是 C++相對(duì)于 C語(yǔ)言來(lái)說(shuō)獨(dú)特的一點(diǎn)，下面我們就來(lái)著重?cái)⑹鲞@一點(diǎn)。

純虛函數(shù)

在介紹抽象類(lèi)之前，需要弄明白何為純虛函數(shù)，下面假定我們有這樣一個(gè)需求：

做一個(gè)“各個(gè)國(guó)家的人的調(diào)查”，調(diào)查各個(gè)國(guó)家的人的：飲食、穿衣、開(kāi)車(chē)

要完成這樣一個(gè)事情，那我們現(xiàn)在就需要實(shí)現(xiàn)這樣幾個(gè)類(lèi)，一個(gè)是 Human類(lèi)，其他國(guó)家的人從 Human類(lèi)里派生而來(lái)，就比如說(shuō)是Chinese和Englishman,我們?cè)倩剡^(guò)頭來(lái)想，我們所要實(shí)現(xiàn)的需求是調(diào)查各個(gè)國(guó)家的人,那么這個(gè)過(guò)程中，由Human類(lèi)派生得到 Chinese和 Englishman，那么在實(shí)例化對(duì)象的時(shí)候，我們實(shí)際上是不會(huì)用到Human類(lèi)去定義一個(gè)對(duì)象的，考慮到這層因素，我們?cè)?nbsp;Human類(lèi)里使用到了純虛函數(shù)的概念，類(lèi)實(shí)現(xiàn)的代碼如下所示：

class Human
{
private:
    int a;
public:
    /*純虛函數(shù)*/
    virtual void eating(void) = 0;
    virtual void wearing(void) = 0;
    virtual void driving(void) = 0;
};

class Englishman : public Human
{
public:
    void eating(void)  { cout<<"use knife to eat"<    void wearing(void) {cout<<"wear english style"<    void driving(void) {cout<<"drive english car"<};

class Chinese : public Human 
{
public:
    void eating(void)  { cout<<"use chopsticks to eat"<    void wearing(void) {cout<<"wear chinese style"<    void driving(void) {cout<<"drive chinese car"<};

我們可以看到在上述的代碼中，Human類(lèi)的成員函數(shù)跟前幾講所寫(xiě)的成員函數(shù)有所不同，而如上述 Human類(lèi)的成員函數(shù)這般寫(xiě)法，也就被稱(chēng)之為是純虛函數(shù)。

抽象類(lèi)

上述引出了純虛函數(shù)的寫(xiě)法，那純虛函數(shù)和抽象類(lèi)之間有什么關(guān)系呢？實(shí)際上，抽象類(lèi)就是具有純虛函數(shù)的類(lèi)，那這抽象類(lèi)存在的意義是什么呢？總的來(lái)說(shuō)，其作用也就是：向下定義好框架，向上提供統(tǒng)一的接口，其不能夠?qū)嵗瘜?duì)象，基于上述幾個(gè)類(lèi)的前提下，我們編寫(xiě)主函數(shù)的代碼：

int main(int argc,char **argv)
{
    Human h;

    return 0;
}

因?yàn)槌橄箢?lèi)不能夠?qū)嵗瘜?duì)象，所以上述代碼編譯結(jié)果是錯(cuò)誤的，錯(cuò)誤信息如下所示：

而使用通過(guò)抽象類(lèi)派生得到的派生類(lèi)實(shí)例化對(duì)象是可行的，代碼如下所示：

int main(int argc, char** argv)
{
    Englishman e;
    Chinese    g;

    return 0;
}

另外需要注意的是：在派生抽象類(lèi)的過(guò)程中，如果派生得到的子類(lèi)沒(méi)有覆寫(xiě)所有的純虛函數(shù)，那么這個(gè)子類(lèi)還是抽象類(lèi)，比如有如下所示的代碼，Human類(lèi)沿用的是上述的寫(xiě)法，代碼不變，如果我們將上述的 Chinese類(lèi)進(jìn)行更改，更改后的代碼如下所示：

class Chinese : public Human 
{
public:
    void eating(void) { cout<<"use chopsticks to eat"<    void wearing(void) {cout<<"wear chinese style"<    //void driving(void) {cout<<"drive chinese car"<};

如上述代碼所示，我們將 driving()函數(shù)注釋掉了，那么也就是說(shuō)，我們并沒(méi)有將抽象類(lèi)的全部純虛函數(shù)進(jìn)行覆寫(xiě)，那么當(dāng)前這個(gè)Chinese類(lèi)也是一個(gè)抽象類(lèi)，也是不能夠進(jìn)行實(shí)例化對(duì)象的，要使得 Chinese類(lèi)有作用，我們必須派生出來(lái)另一個(gè)類(lèi)，代碼如下所示：

class Guangximan : public Chinese 
{
    void driving(void) {cout<<"drive guangxi car"<};

這個(gè)時(shí)候，就可以用 Guangximan這個(gè)類(lèi)來(lái)實(shí)例化對(duì)象了。

多文件編程

在前面的教程中，有一則教程說(shuō)到了多文件編程，在 C++中也就是將類(lèi)的聲明放到頭文件中，將類(lèi)的實(shí)現(xiàn)放在.cpp文件中，為了更好地闡述這種方法，我們用實(shí)例來(lái)進(jìn)行講解，首先，來(lái)看一下，所涉及到地所有文件有哪些：

image-20210222103409774

可以看到上述有6個(gè)文件，我們首先來(lái)看 Chinese.h這個(gè)文件，代碼如下所示：

#ifndef _CHINESE_H
#define _CHINESE_H

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Chinese
{
public:
    void eating(void); 
    void wearing(void);
    void drivering(void);
};

#endif

通過(guò)上述地.h文件可以看出，在這里的Chinese類(lèi)中，它只涉及到類(lèi)成員函數(shù)的一個(gè)聲明，并沒(méi)有成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，我們繼續(xù)來(lái)看Chinese.cpp的類(lèi)實(shí)現(xiàn)：

#include "Chinese.h"

void Chinese::eating(void)
{
    cout << "use chopsticks to eat" << endl;
}

void Chinese::wearing(void)
{
    cout << "wear chinese style" << endl;
}

void Chinese::drivering(void)
{
    cout << "driver china car" << endl;
}

按照上述這樣一種方法，我們繼續(xù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Englishman類(lèi)中的代碼，首先是Englishman.h中的代碼，代碼如下所示：

#ifndef _ENGLISHMAN_H
#define _ENGLISHMAN_H

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Englishman
{
public:
    void eating(void);
    void wearing(void);
    void driver(void);
};

#endif

繼續(xù)看.cpp中的代碼，代碼如下所示：

#include "Englishman.h"

void Englishman::eating(void)
{
    cout << "use chopsticks to eat" << endl;
}

void Englishman::wearing(void)
{
    cout << "wear chinese style" << endl;
}

void Englishman::drivering(void)
{
    cout << "driver china car" << endl;
}

至此，除了主函數(shù)以外的代碼就編寫(xiě)完了，我們繼續(xù)來(lái)看主函數(shù)的代碼：

#include "Englishman.h"
#include "Chinese.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    Englishman e;
    Chinese c;

    e.eating();
    c.eating();

    return 0;
}

在前面的教程中，我們就說(shuō)過(guò)，如果是多文件的話，需要編寫(xiě) Makefile文件，Makefile文件代碼如下：

Human: main.o Chinese.o Englishman.o Human.o
    g++ -o $@ $^

%.o : %.cpp
    g++ -c -o $@ $<

clean:
    rm -f *.o Human 

上述代碼就不再這里贅述了，跟之前教程中的 Makefile基本是一樣的，有了Makefile之后，編譯代碼只需要使用 make命令就行了，編譯結(jié)果如下所示：

image-20210222105051169

上述代碼中，如果我們想要增添功能，比如說(shuō)Chinese和Englishman都有名字，那么就可以增添設(shè)置名字和獲取名字這兩種方法，首先是 Chinese的代碼，代碼如下:

#ifndef _CHINESE_H
#define _CHINESE_H

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Chinese{
private:
    char *name;
public:
    void setName(char *name);
    char *getName(void);
    void eating(void);
    void wearing(void);
    void driving(void);
    ~Chinese();
};

#endif

然后是.cpp中的代碼：

#include "Chinese.h"

void Chinese::setName(char *name) 
{
    this->name = name;
}

char *Chinese::getName(void) 
{
    return this->name;
}

/*其他成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)同上，這里省略*/

寫(xiě)完了 Chinese的代碼，然后是Englishman中的代碼，首先是Englishman.h中的代碼:

#ifndef _ENGLISHMAN_H
#define _ENGLISHMAN_H

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Englishman {
private:
    char *name;
public:
    void setName(char *name);
    char *getName(void);
    void eating(void);
    void wearing(void);
    void driving(void);
    ~Englishman();
};

#endif

緊接著，是.cpp中的代碼：

#include "Englishman.h"

void Englishman::setName(char *name) 
{
    this->name = name;
}

char *Englishman::getName(void) 
{
    return this->name;
}

以這樣的方式增添功能，確實(shí)是可行的，但是我們假設(shè)一下，如果類(lèi)很多，除了中國(guó)人和英國(guó)人還有很多個(gè)國(guó)家的人，如果這些類(lèi)都要增加相同的功能，這個(gè)工作量就比較大了，那要如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？這個(gè)時(shí)候，我們就可以引入一個(gè)新類(lèi)Human，然后，將每個(gè)類(lèi)相同的部分寫(xiě)在這個(gè)類(lèi)里面，其他類(lèi)，諸如Englisnman和Chinese就可以從Human類(lèi)中繼承而來(lái)，那這個(gè)時(shí)候，增添的操作，就只需要在 Human類(lèi)中增加就好了，不需要改動(dòng)Chinese和Englishman，工作量就小了很多。我們來(lái)看 Human類(lèi)的代碼實(shí)現(xiàn)，首先是.h代碼的實(shí)現(xiàn)：

#ifndef _HUMAN_H
#define _HUMAN_H

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Human {
private:
    char *name;

public:
    void setName(char *name);
    char *getName(void);    
};

#endif

然后是.cpp代碼的實(shí)現(xiàn)：

#include "Human.h"

void Human::setName(char *name) 
{
    this->name = name;
}

char *Human::getName(void) 
{
    return this->name;
}

有了 Human類(lèi)之后，我們就可以來(lái)實(shí)現(xiàn)我們所說(shuō)的 Englishman和Chinese類(lèi)了，代碼如下所示：

#ifndef _ENGLISHMAN_H
#define _ENGLISHMAN_H

#include 
#include 
#include 

#include "Human.h"

using namespace std;

class Englishman : public Human 
{
public:
    void eating(void);
    void wearing(void);
    void driving(void);
    ~Englishman();
};

#endif

然后是Chinese的代碼：

#ifndef _CHINESE_H
#define _CHINESE_H

#include 
#include 
#include 

#include "Human.h"

using namespace std;

class Chinese : public Human
{
public:
    void eating(void);
    void wearing(void);
    void driving(void);
    ~Chinese();
};

#endif

可以看到 Englishman和Chinese都是繼承自Human類(lèi)，這個(gè)時(shí)候，就不需要再自己實(shí)現(xiàn)setName和getName了。

我們繼續(xù)來(lái)完善我們的代碼，先從主函數(shù)說(shuō)起，主函數(shù)代碼如下所示：

void test_eating(Human *h)
{
    h->eating();
}

int main(int argc, char **argv)
{
    Englishman e;
    Chinese c;

    Human * h[2] = {&e,&h};
    int i;
    for (i = 0; i < 2; i++)
        test_eating(h[i]);

    return 0;
}

簡(jiǎn)要說(shuō)明一下主函數(shù)代碼的意思，其實(shí)就是定義了一個(gè)指針數(shù)組，然后遍歷整個(gè)指針數(shù)組，一次將數(shù)組內(nèi)的成員傳入test_eating()函數(shù)內(nèi)，根據(jù)傳入的參數(shù)不同執(zhí)行不同的eating函數(shù)，說(shuō)到這里，實(shí)際上是跟前面一則教程中所將的抽象類(lèi)和虛函數(shù)概念所結(jié)合起來(lái)的，因此，這里也是采用相同的思路，將 Human類(lèi)設(shè)置為抽象類(lèi)，然后其他類(lèi)由Human類(lèi)派生而來(lái)，下面就來(lái)看Human類(lèi)的代碼：

#ifndef _HUMAN_H
#define _HUMAN_H

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class Human {
private:
    char *name;

public:
    void setName(char *name);
    char *getName(void);
    virtual void eating(void) = 0;
    virtual void wearing(void) = 0;
    virtual void driving(void) = 0; 
};

#endif

然后是Human.cpp的代碼：

#include "Human.h"

void Human::setName(char *name) 
{
    this->name = name;
}

char *Human::getName(void) 
{
    return this->name;
}

實(shí)現(xiàn)了 Human類(lèi)的代碼之后，我們來(lái)看Chinese和Englishman的代碼，代碼如下所示,首先是 Englishman.h：

#ifndef _ENGLISHMAN_H
#define _ENGLISHMAN_H

#include 
#include 
#include 

#include "Human.h"

using namespace std;

class Englishman : public Human 
{
public:
    void eating(void);
    void wearing(void);
    void driving(void);
};

#endif

緊接著是 Englishman.cpp的代碼：

#include "Englishman.h"

void Englishman::eating(void) 
{ 
    cout<<"use knife to eat"<}

void Englishman::wearing(void) 
{
    cout<<"wear english style"<}

void Englishman::driving(void) 
{
    cout<<"drive english car"<}

Chinese的代碼就不展示了，和Englishman是一個(gè)道理，總的來(lái)說(shuō)，上述實(shí)際上也就是本節(jié)教程中抽象類(lèi)的一個(gè)多文件的實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

回顧上述的代碼中的 Makefile文件，代碼如下所示：

Human: main.o Chinese.o Englishman.o Human.o
    g++ -o $@ $^

%.o : %.cpp
    g++ -c -o $@ $<

clean:
    rm -f *.o Human 

通過(guò)第一行代碼，我們知道只要更改main.c，Chinese.c和Englishman.c以及Human.o中的任意一個(gè)文件，都會(huì)導(dǎo)致重新生成一個(gè) Human文件，考慮到這一點(diǎn)，實(shí)際上我們可以將 Chinese.o、Englishman.o和Human.o做成一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)，至于這么做的原因是因?yàn)槲覀冊(cè)陂_(kāi)發(fā)一個(gè)大的項(xiàng)目的時(shí)候，會(huì)涉及到一個(gè)程序由多個(gè)人編寫(xiě)，基本會(huì)分為兩類(lèi)，一個(gè)是應(yīng)用編程，一個(gè)是類(lèi)編程，那么這兩者的區(qū)別如下所示：

應(yīng)用編程：使用類(lèi)

類(lèi)編程：提供類(lèi)編程，比如說(shuō) Englishman，Chinese

基于此，我們將之前的程序更改為這種形式，分為應(yīng)用編程和類(lèi)編程，基于上述我們對(duì)應(yīng)用編程和類(lèi)編程的區(qū)別的闡述，我們可以知道在剛剛那個(gè)程序，main.c就是應(yīng)用編程，而Englishman.c，Chinese.c及Human.c就是類(lèi)編程，而我們只需要更改 Makefile就可以實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)功能，更改之后的Makefile如下所示：

Human: main.o libHuman.so
    g++ -o $@ $< -L./ -lHuman

%.o : %.cpp
    g++ -fPIC -c -o $@ $<

libHuman.so : Englishman.o Chinese.o Human.o
    g++ -shared -o $@ $^

clean:
    rm -f *.o Human 

對(duì)比于之前的Makefile，我們可以看出第一行，Chinese.o、Englishman.o和Human.o替換成了現(xiàn)在的 libHuman.so，也就是說(shuō)現(xiàn)在的 Human文件生成依賴(lài)于main.o和libHuman.so這兩個(gè)文件。第二行中的-L是表示，編譯的時(shí)候，指定搜索庫(kù)的路徑，而整個(gè)路徑就是緊隨其后的./，表示的是當(dāng)前文件夾下。而后面的-lHuman表示的是當(dāng)前鏈接的是Human整個(gè)庫(kù)，要完全理解這里，還需要了解下Linux下的.so文件。

.so文件，被稱(chēng)之為共享庫(kù)，是share object，用于動(dòng)態(tài)鏈接，說(shuō)到這里，可能會(huì)有所疑惑，明明寫(xiě)的是libHuman.so,為何在后面鏈接的時(shí)候?qū)懙氖?code>-lHuman，并不是-llibHuman呢，這就要了解一下.so文件的命名規(guī)則，.so文件是按照如下命名方式進(jìn)行命名的：lib+函數(shù)庫(kù)名+.so+版本號(hào)信息，也就是說(shuō)雖然寫(xiě)的是libHuman.so，但是實(shí)際生成的共享庫(kù)為Human，也就是為什么后面是-lHuman了。

繼續(xù)來(lái)看Makefile代碼，可以看到第四行也與之前的代碼不相同，多了一個(gè) -fPIC,這個(gè)參數(shù)的作用是：生成位置無(wú)關(guān)目標(biāo)碼，用于生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

繼續(xù)來(lái)看第八行，其中用到了一個(gè)之前未曾用過(guò)的-shared命令，這個(gè)命令的作用是：此選項(xiàng)將盡量使用動(dòng)態(tài)庫(kù)，為默認(rèn)選項(xiàng)。優(yōu)點(diǎn)：生成文件比較小。缺點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)需要系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)庫(kù)。

至此，Makefile代碼就完了，那么更改了的代碼與之前存在什么區(qū)別呢，我們先來(lái)回顧一下之前代碼的主函數(shù)：

#include "Human.h"
#include "Englishman.h"
#include "Chinese.h"

void test_eating(Human *h)
{
    h->eating();
}


int main(int argc, char **argv)
{
    Englishman e;
    Chinese c;

    Human* h[2] = {&e, &c};
    int i;
    for (i = 0; i < 2; i++)
        test_eating(h[i]);

    return 0;
}

然后，我們進(jìn)行編譯，運(yùn)行：

image-20210223190725028

在上述中，我們看到編譯我們是用make命令進(jìn)行編譯的，然后在運(yùn)行可執(zhí)行代碼的時(shí)候，我們采用的是LD_LIBRARY_PATH=./ ./Human,與前面的教程不同，這次在運(yùn)行可執(zhí)行文件的時(shí)候，多了LD_LIBRARY_PATH=./,這是因?yàn)楝F(xiàn)在使用了動(dòng)態(tài)庫(kù)，而這條多出來(lái)的語(yǔ)句是來(lái)指明動(dòng)態(tài)庫(kù)的路徑的。

最后，我們來(lái)測(cè)試一下，我們使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，比如，我現(xiàn)在更改了Chinese.cpp的eating函數(shù)，代碼如下：

void Chinese::eating(void) 
{ 
    cout<<"use chopsticks to eat,test"<}

然后，如果沒(méi)有使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，那么這個(gè)時(shí)候，如果要執(zhí)行這個(gè)修改過(guò)的代碼，就需要重新生成可執(zhí)行文件，但是現(xiàn)在使用了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，也就是說(shuō)，不需要重新生成可執(zhí)行文件了，我們只需要重新生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)就好了，編譯命令如下所示：

image-20210223191802201

可見(jiàn)，上述只重新生成了Human庫(kù)文件，并沒(méi)有重新生成可執(zhí)行文件，代碼運(yùn)行正確，這樣也就做到了應(yīng)用編程和類(lèi)編程分離。

小結(jié)

上述便是本期教程的所有內(nèi)容，教程所涉及的代碼可以通過(guò)百度云鏈接的方式獲取。

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1fB78jG6PdMNcXMfPwtqyvw

提取碼：cquv