利用多態和繼承設計可復用的C++代碼

一、多態的概念及應用

多態是C++的一個重要特性，指同一函數或方法，可以在不同的對象上產生不同的行為。多態分為靜態多態和動態多態。靜態多態是指函數重載，動態多態是指虛函數和運行時多態。

動態多態性是多態的高級形態，是通過虛函數實現的。它的實現方式是將一個函數聲明為虛函數，在基類中定義，子類中根據需要重新定義。在程序運行時根據對象的實際類型來調用相應的函數，實現多態。動態多態性的優點是實現了代碼的可復用性。因為基類中聲明的虛函數在子類中仍然有效，可以在子類中重新定義，從而滿足不同對象的需求。

下面是一個簡單的動態多態的例子，定義一基類Shape，其中定義了一個虛函數CalculateArea()。圓類Circle和矩形類Rectangle都繼承Shape類，它們都需要重新定義CalculateArea()函數的實現：

class Shape {
public:
    virtual double CalculateArea() = 0;
};

class Circle: public Shape {
public:
    Circle(double radius) : m_radius(radius) {}
    virtual double CalculateArea() {
        return 3.14159*m_radius*m_radius;
    }
private:
    double m_radius;
};

class Rectangle: public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) : m_width(width), m_height(height) {}
    virtual double CalculateArea() {
        return m_width*m_height;
    }
private:
    double m_width;
    double m_height;
};

在上述代碼中，Shape是基類，定義了一個純虛函數CalculateArea()，這意味着在Shape類中這個函數沒有實現，而且我們必須在派生類中實現它。Circle和Rectangle都代表了形狀，派生自Shape類，它們都實現了基類的CalculateArea()函數，但是每個類都有自己的實現方法。我們可以通過在函數簽名前面加上virtual關鍵字，告訴編譯器這個函數是虛函數，需要在運行時重寫實現。

二、繼承的概念及應用

繼承是C++提供的另一種重要特性，允許一個類派生出另一個類，並使用已有類的所有屬性和方法，實現代碼的復用。在C++中，一個類可以派生出多個子類，子類可以是直接或間接派生出來的。繼承分為單一繼承、多重繼承和虛繼承。

下面是一個簡單的繼承的例子，定義一個Animal類作為基類，Dog類和Cat類都派生自Animal類：

class Animal {
public:
    void Eat() {
        cout << "Animal eats !" << endl;
    }
};

class Dog: public Animal {
public:
    void Bark() {
        cout << "Dog barks !" << endl;
    }
};

class Cat: public Animal {
public:
    void Meow() {
        cout << "Cat meows !" << endl;
    }
};

在上述代碼中，Animal是一個基類，定義了一個Eat()函數，表示動物吃。另外，Dog和Cat是派生類，它們都從Animal類繼承Eat()函數，同時又有自己的特定函數Dog::Bark()和Cat::Meow()，表示狗叫和貓叫。

三、多態和繼承的應用

多態和繼承結合使用可以更好地實現C++代碼的復用。例如，我們可以用多態和繼承實現一個圖形計算器，用戶可以輸入不同的形狀及相應的參數，程序可以通過多態完成其面積的計算，並輸出計算結果。

下面是一個簡單的面向對象的圖形計算器實現，可以計算圓形和矩形的面積：

class Shape {
public:
    virtual double CalculateArea() = 0;
};

class Circle: public Shape {
public:
    Circle(double radius) : m_radius(radius) {}
    virtual double CalculateArea() {
        return 3.14159*m_radius*m_radius;
    }
private:
    double m_radius;
};

class Rectangle: public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) : m_width(width), m_height(height) {}
    virtual double CalculateArea() {
        return m_width*m_height;
    }
private:
    double m_width;
    double m_height;
};

class Calculator {
public:
    double CalculateArea(Shape& shape) {
        return shape.CalculateArea();
    }
};

int main() {
    Circle circle(3);
    Rectangle rectangle(4,5);

    Calculator calculator;
    cout << "The area of Circle is: " << calculator.CalculateArea(circle) << endl;
    cout << "The area of Rectangle is: " << calculator.CalculateArea(rectangle) << endl;
    return 0;
}

在上述代碼中，Shape是基類，定義了一個純虛的CalculateArea()函數。Circle和Rectangle是派生自Shape類的子類，它們都重寫了基類的虛函數，並實現了各自特定的計算方法。Calculator是計算器類，它有一個CalculateArea函數，使用Shape&參數，我們可以把Circle和Rectangle對象作為參數傳遞給這個函數，程序就會自動調用它們的CalculateArea()函數，進行相應的面積計算。