Полиморфизм в C++

Привет, стремящиеся программисты! Сегодня мы отправляемся в увлекательное путешествие в мир полиморфизма в C++. Не волнуйтесь, если это слово звучит пугающе – к концу этого урока вы будете чувствовать себя так же уверенно в полиморфизме, как и в своих любимых кроссовках!

C++ Polymorphism

Что такое полиморфизм?

Перед тем как погрузиться в код, давайте попытаемся понять, что такое полиморфизм. Слово происходит из греческого: 'poly' означает много, а 'morph' – форма. В программировании полиморфизм позволяет объектам разных типов рассматриваться как объекты общего базового типа. Это как универсальный пульт, который может управлять различными устройствами – довольно круто, правда?

Реальный мир аналогии

Представьте себе, что вы находитесь в зоопарке. Вы видите разных животных – львов, слонов, пингвинов. Они все животные, но ведут себя по-разному. Во время кормления смотритель не должен знать точно, какой тип животного перед ним. Он просто даёт общий команду "есть", и каждое животное отвечает по-своему. Это и есть полиморфизм в действии!

Виртуальные функции

Теперь перейдём к деталям полиморфизма в C++, начиная с виртуальных функций.

Что такое виртуальные функции?

Виртуальные функции – это особые функции в C++, которые позволяют программе решать, какую функцию вызвать во время выполнения, основываясь на типе объекта, к которому ссылается, а не на типе указателя или ссылки.

Вот простой пример:

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
virtual void makeSound() {
cout << "Животное издаёт звук" << endl;
}
};

class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
cout << "Собака лает: Гав!" << endl;
}
};

class Cat : public Animal {
public:
void makeSound() override {
cout << "Кошка мяукает: Мяу!" << endl;
}
};

int main() {
Animal* animal1 = new Dog();
Animal* animal2 = new Cat();

animal1->makeSound();  // Вывод: Собака лает: Гав!
animal2->makeSound();  // Вывод: Кошка мяукает: Мяу!

delete animal1;
delete animal2;
return 0;
}

Разберёмся:

У нас есть базовый класс Animal с виртуальной функцией makeSound().
Мы создаём два производных класса, Dog и Cat, каждый из которых переопределяет функцию makeSound().
В main() мы создаём указатели типа Animal*, но присваиваем им объекты Dog и Cat.
Когда мы вызываем makeSound(), программа знает, что нужно вызвать правильную версию, основываясь на фактическом типе объекта, а не на типе указателя.

Вот магия виртуальных функций и полиморфизма!

Ключевое слово 'virtual'

Ключевое слово virtual здесь жизненно важно. Оно сообщает компилятору, что эта функция может быть переопределена в производных классах. Без него программа всегда вызвала бы версию функции базового класса.

Чисто виртуальные функции

Теперь поднимемся на новый уровень и поговорим о чисто виртуальных функциях.

Что такое чисто виртуальные функции?

Чисто виртуальная функция – это виртуальная функция, которая не имеет реализации в базовом классе. Она объявляется, присваивая 0 в объявлении функции.

Вот пример:

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
public:
virtual double area() = 0;  // Чисто виртуальная функция
};

class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
double area() override {
return 3.14159 * radius * radius;
}
};

class Rectangle : public Shape {
private:
double length, width;
public:
Rectangle(double l, double w) : length(l), width(w) {}
double area() override {
return length * width;
}
};

int main() {
Shape* shape1 = new Circle(5);
Shape* shape2 = new Rectangle(4, 5);

cout << "Площадь круга: " << shape1->area() << endl;
cout << "Площадь прямоугольника: " << shape2->area() << endl;

delete shape1;
delete shape2;
return 0;
}

В этом примере:

Shape – абстрактный базовый класс с чисто виртуальной функцией area().
Circle и Rectangle – конкретные классы, наследующие от Shape и предоставляющие свои собственные реализации функции area().
Мы можем создать указатели Shape и присвоить им объекты Circle и Rectangle.
Когда мы вызываем area(), вызывается правильная версия, основываясь на фактическом типе объекта.

Абстрактные классы

Класс, содержащий хотя бы одну чисто виртуальную функцию, называется абстрактным классом. Вы не можете создать объекты абстрактного класса, но можете использовать указатели и ссылки на типы абстрактных классов.

Почему использовать полиморфизм?

Гибкость: Позволяет писать код, который может работать с объектами множества типов.
Расширяемость: Вы можете добавлять новые производные классы, не изменяя существующий код.
Простота: Может упростить код, позволяя обрабатывать различные объекты однотипно.

Общие методы в полиморфизме

Вот таблица общих методов, используемых в полиморфизме в C++:

Метод	Описание
`virtual`	Ключевое слово, используемое для объявления виртуальной функции в базовом классе
`override`	Ключевое слово, используемое в производных классах для указания переопределения функции базового класса
`= 0`	Используется для объявления чисто виртуальной функции
`dynamic_cast`	Используется для безопасного преобразования вниз по иерархии в полиморфных классах
`typeid`	Используется для получения информации о типе во время выполнения

Заключение

Полиморфизм – это мощная функция в C++, которая позволяет создавать гибкие и расширяемые коды. Используя виртуальные функции и чисто виртуальные функции, вы можете создавать иерархии классов, которые могут использоваться взаимозаменяемо, что ведёт к более модульному и поддерживаемому коду.

Помните, как и при освоении любого нового навыка, мастерство полиморфизма требует практики. Не расстраивайтесь, если всё сразу не заработает – продолжайте программировать, экспериментировать, и скоро вы будете использовать полиморфизм как профи!

Credits: Image by storyset