面试题：C++多态与代码维护中的可扩展性和可替换性

Question

在C++中，多态为代码提供了可扩展性和可替换性。请深入分析如何通过合理设计多态结构，使得代码在添加新功能（如新的派生类）时易于维护，并且能方便地替换现有实现而不影响其他部分。结合具体的设计模式（如策略模式），说明多态如何在这些方面发挥关键作用。

Answer 1

多态实现代码可扩展性与可替换性的分析

1. 多态的基础：在C++ 中，通过基类指针或引用指向派生类对象来实现多态。基类中定义虚函数，派生类重写这些虚函数。例如：

class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
};
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a circle" << std::endl;
    }
};
class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a rectangle" << std::endl;
    }
};

2. 可扩展性：当添加新功能（如新的派生类）时，只需创建新的派生类并重写基类的虚函数。例如添加一个Triangle类：

class Triangle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a triangle" << std::endl;
    }
};

这样，在使用Shape指针或引用的地方，无需修改已有代码，就可以处理新的Triangle对象，实现了代码的可扩展性。 3. 可替换性：如果要替换现有实现，比如修改Circle的绘制方式，只需修改Circle类中draw函数的实现，而使用Shape指针或引用的其他部分代码不受影响。因为调用函数是基于运行时对象的实际类型，而不是指针或引用的静态类型。

策略模式中多态的关键作用

1. 策略模式定义：策略模式定义了一系列算法，将每个算法封装起来，使它们可以相互替换。
2. 策略模式实现：以一个计算不同图形面积的场景为例。

class AreaCalculator {
public:
    virtual double calculateArea() const = 0;
};
class CircleAreaCalculator : public AreaCalculator {
private:
    double radius;
public:
    CircleAreaCalculator(double r) : radius(r) {}
    double calculateArea() const override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
};
class RectangleAreaCalculator : public AreaCalculator {
private:
    double width;
    double height;
public:
    RectangleAreaCalculator(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double calculateArea() const override {
        return width * height;
    }
};
class Shape {
private:
    AreaCalculator* areaCalculator;
public:
    Shape(AreaCalculator* calculator) : areaCalculator(calculator) {}
    double calculateArea() const {
        return areaCalculator->calculateArea();
    }
    ~Shape() {
        delete areaCalculator;
    }
};

3. 多态的作用：在策略模式中，多态使得不同的算法（如不同图形的面积计算）可以方便地替换。如果要添加新的图形面积计算方式，如三角形面积计算，只需创建新的TriangleAreaCalculator派生类并实现calculateArea函数。然后可以轻松地将其应用到Shape类中，无需修改Shape类的其他代码，实现了可扩展性和可替换性。同时，Shape类中通过AreaCalculator指针调用calculateArea函数，利用多态根据实际的派生类对象调用相应的面积计算方法，而不影响其他使用Shape类的代码部分。