Абстрактные классы

Часть раздела Объектно-ориентированное программирование путешествия по C++ на Coddy — урок 60 из 104.

Абстрактный класс — это любой класс, который содержит как минимум одну чисто виртуальную функцию. Поскольку у него неполный интерфейс, вы не можете создавать объекты абстрактного класса напрямую — он существует исключительно для того, чтобы от него наследовались.

class Shape {
public:
    virtual double area() = 0;      // Чисто виртуальная функция — делает Shape абстрактным
    virtual double perimeter() = 0; // Еще одна чисто виртуальная функция
    
    void printInfo() {              // Обычный метод — имеет реализацию
        std::cout << "Area: " << area() << std::endl;
    }
    
    virtual ~Shape() = default;
};

Shape s;  // Ошибка: невозможно создать экземпляр абстрактного класса

Абстрактные классы могут содержать смесь чистых виртуальных функций (без реализации), обычных виртуальных функций (с реализацией по умолчанию) и невиртуальных функций. Это позволяет определять общее поведение, требуя при этом от производных классов реализации специфической функциональности.

class Circle : public Shape {
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    
    double area() override { return 3.14159 * radius * radius; }
    double perimeter() override { return 2 * 3.14159 * radius; }
};

Circle c(5.0);      // OK: Circle реализует все чисто виртуальные функции
c.printInfo();      // Использует унаследованный printInfo(), вызывает area() класса Circle

Производный класс должен реализовать все чисто виртуальные функции, чтобы стать конкретным (допускающим создание экземпляров). Если он оставит какую-либо из них нереализованной, он сам останется абстрактным. Этот механизм гарантирует, что каждый конкретный класс в вашей иерархии предоставляет необходимую функциональность.

Задание

Легко

Давайте создадим систему медиаплеера, которая демонстрирует, как абстрактные классы определяют контракты для различных типов медиа. Вы создадите абстрактный базовый класс, который устанавливает, что должен делать каждый медиаплеер, а затем реализуете конкретные плееры для аудио- и видеоконтента.

Вы организуете свой код в трех файлах:

MediaPlayer.h: Определите абстрактный класс MediaPlayer, который служит чертежом для всех типов медиа. Ваш абстрактный класс должен иметь:
- Защищенный член std::string title
- Защищенный член int duration (в секундах)
- Конструктор, который инициализирует оба значения
- Чисто виртуальный метод play() — каждый тип медиа будет воспроизводиться по-разному
- Чисто виртуальный метод getMediaType(), возвращающий std::string
- Обычный (невиртуальный) метод showInfo(), который выводит: <title> (<duration>s) - Type: <mediaType> — этот метод должен вызывать getMediaType() для получения типа
- Виртуальный деструктор
Players.h: Реализуйте два конкретных медиаплеера, наследуемых от MediaPlayer:
AudioPlayer:
- Приватный член std::string artist
- Конструктор, принимающий название, длительность и исполнителя
- Реализуйте play() для вывода: Playing audio: <title> by <artist>
- Реализуйте getMediaType(), чтобы он возвращал "Audio"
VideoPlayer:
- Приватный член std::string resolution
- Конструктор, принимающий название, длительность и разрешение
- Реализуйте play() для вывода: Playing video: <title> in <resolution>
- Реализуйте getMediaType(), чтобы он возвращал "Video"
main.cpp: Считайте четыре входных значения (каждое на отдельной строке):
1. Название аудиодорожки
2. Длительность аудио (целое число)
3. Название видео
4. Длительность видео (целое число)
Создайте AudioPlayer с исполнителем "Unknown Artist" и VideoPlayer с разрешением "1080p". Сохраните оба объекта в массиве указателей MediaPlayer*.

Пройдите циклом по массиву и для каждого плеера сначала вызовите showInfo(), а затем play(). Выведите пустую строку между элементами медиа. Очистите динамически выделенные объекты по завершении.

Например, при входных данных Summer Vibes, 180, Nature Documentary и 3600:

Summer Vibes (180s) - Type: Audio
Playing audio: Summer Vibes by Unknown Artist

Nature Documentary (3600s) - Type: Video
Playing video: Nature Documentary in 1080p

Обратите внимание, как метод showInfo() определен один раз в абстрактном базовом классе, но вызывает чисто виртуальный метод getMediaType() — это демонстрирует, как абстрактные классы могут смешивать конкретные реализации с методами, которые должны предоставить производные классы. Не забудьте использовать ключевое слово override для всех переопределенных методов.

Шпаргалка

Абстрактный класс содержит как минимум одну чистую виртуальную функцию и не может быть инстанцирован напрямую. Он существует для того, чтобы наследоваться и определять интерфейс для производных классов.

Определение абстрактного класса

Используйте = 0 для объявления чистой виртуальной функции:

class Shape {
public:
    virtual double area() = 0;      // Чистая виртуальная функция
    virtual double perimeter() = 0; // Делает Shape абстрактным
    
    void printInfo() {              // Обычный метод с реализацией
        std::cout << "Area: " << area() << std::endl;
    }
    
    virtual ~Shape() = default;     // Виртуальный деструктор
};

Абстрактные классы могут содержать:

Чистые виртуальные функции (без реализации)
Обычные виртуальные функции (с реализацией по умолчанию)
Невиртуальные функции

Реализация конкретных классов

Производный класс должен реализовать все чистые виртуальные функции, чтобы стать инстанцируемым:

class Circle : public Shape {
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    
    double area() override { return 3.14159 * radius * radius; }
    double perimeter() override { return 2 * 3.14159 * radius; }
};

Circle c(5.0);      // OK: все чистые виртуальные функции реализованы
c.printInfo();      // Унаследованный метод вызывает area() класса Circle

Если производный класс не реализует все чистые виртуальные функции, он остается абстрактным и не может быть инстанцирован.

Попробуйте сами

#include <iostream>
#include <string>
#include "MediaPlayer.h"
#include "Players.h"

int main() {
    // Чтение входных данных
    std::string audioTitle;
    int audioDuration;
    std::string videoTitle;
    int videoDuration;
    
    std::getline(std::cin, audioTitle);
    std::cin >> audioDuration;
    std::cin.ignore();
    std::getline(std::cin, videoTitle);
    std::cin >> videoDuration;
    
    // TODO: Создайте AudioPlayer с исполнителем "Unknown Artist"
    
    // TODO: Создайте VideoPlayer с разрешением "1080p"
    
    // TODO: Сохраните оба объекта в массиве указателей MediaPlayer*
    
    // TODO: Пройдите циклом по массиву и для каждого плеера:
    //       1. Вызовите showInfo()
    //       2. Вызовите play()
    //       3. Выведите пустую строку между каждым медиа-элементом
    
    // TODO: Очистите динамически выделенные объекты
    
    return 0;
}