C++ 的纯虚函数和抽象类

2023-09-08
四川
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在 C++中，可以将虚函数声明为纯虚函数，语法格式为：

virtual 返回值类型函数名 (函数参数) = 0;

纯虚函数没有函数体，只有函数声明，在虚函数声明的结尾加上=0，表明此函数为纯虚函数。

最后的=0并不表示函数返回值为 0，它只起形式上的作用，告诉编译系统“这是纯虚函数”。

包含纯虚函数的类称为抽象类（Abstract Class）。之所以说它抽象，是因为它无法实例化，也就是无法创建对象。原因很明显，纯虚函数没有函数体，不是完整的函数，无法调用，也无法为其分配内存空间。抽象类通常是作为基类，让派生类去实现纯虚函数。派生类必须实现纯虚函数才能被实例化。纯虚函数使用举例：

    #include <iostream>    using namespace std;    //线    class Line{    public:        Line(float len);        virtual float area() = 0;        virtual float volume() = 0;    protected:        float m_len;    };    Line::Line(float len): m_len(len){ }    //矩形    class Rec: public Line{    public:        Rec(float len, float width);        float area();    protected:        float m_width;    };    Rec::Rec(float len, float width): Line(len), m_width(width){ }    float Rec::area(){ return m_len * m_width; }    //长方体    class Cuboid: public Rec{    public:        Cuboid(float len, float width, float height);        float area();        float volume();    protected:        float m_height;    };    Cuboid::Cuboid(float len, float width, float height): Rec(len, width), m_height(height){ }    float Cuboid::area(){ return 2 * ( m_len*m_width + m_len*m_height + m_width*m_height); }    float Cuboid::volume(){ return m_len * m_width * m_height; }    //正方体    class Cube: public Cuboid{    public:        Cube(float len);        float area();        float volume();    };    Cube::Cube(float len): Cuboid(len, len, len){ }    float Cube::area(){ return 6 * m_len * m_len; }    float Cube::volume(){ return m_len * m_len * m_len; }    int main(){        Line *p = new Cuboid(10, 20, 30);        cout<<"The area of Cuboid is "<<p->area()<<endl;        cout<<"The volume of Cuboid is "<<p->volume()<<endl;              p = new Cube(15);        cout<<"The area of Cube is "<<p->area()<<endl;        cout<<"The volume of Cube is "<<p->volume()<<endl;        return 0;    }

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运行结果：

The area of Cuboid is 2200

The volume of Cuboid is 6000

The area of Cube is 1350

The volume of Cube is 3375

本例中定义了四个类，它们的继承关系为：Line --> Rec --> Cuboid --> Cube。Line 是一个抽象类，也是最顶层的基类，在 Line 类中定义了两个纯虚函数 area() 和 volume()。在 Rec 类中，实现了 area() 函数；所谓实现，就是定义了纯虚函数的函数体。

但这时 Rec 仍不能被实例化，因为它没有实现继承来的 volume() 函数，volume() 仍然是纯虚函数，所以 Rec 也仍然是抽象类。直到 Cuboid 类，才实现了 volume() 函数，才是一个完整的类，才可以被实例化。可以发现，Line 类表示“线”，没有面积和体积，但它仍然定义了 area() 和 volume() 两个纯虚函数。

这样的用意很明显：Line 类不需要被实例化，但是它为派生类提供了“约束条件”，派生类必须要实现这两个函数，完成计算面积和体积的功能，否则就不能实例化。在实际开发中，你可以定义一个抽象基类，只完成部分功能，未完成的功能交给派生类去实现（谁派生谁实现）。

这部分未完成的功能，往往是基类不需要的，或者在基类中无法实现的。虽然抽象基类没有完成，但是却强制要求派生类完成，这就是抽象基类的“霸王条款”。

抽象基类除了约束派生类的功能，还可以实现多态。请注意第 51 行代码，指针 p 的类型是 Line，但是它却可以访问派生类中的 area() 和 volume() 函数，正是由于在 Line 类中将这两个函数定义为纯虚函数；如果不这样做，51 行后面的代码都是错误的。我想，这或许才是 C++提供纯虚函数的主要目的。

关于纯虚函数的几点说明

1) 一个纯虚函数就可以使类成为抽象基类，但是抽象基类中除了包含纯虚函数外，还可以包含其它的成员函数（虚函数或普通函数）和成员变量。

2) 只有类中的虚函数才能被声明为纯虚函数，普通成员函数和顶层函数均不能声明为纯虚函数。如下例所示：

    //顶层函数不能被声明为纯虚函数    void fun() = 0;   //compile error    class base{    public :        //普通成员函数不能被声明为纯虚函数        void display() = 0;  //compile error    };

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