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纯虚函数和抽象类

article 2025/1/23 17:51:35

1. 纯虚函数 (Pure Virtual Function)

纯虚函数是一种没有具体实现的虚函数，要求子类必须重写它。

定义：在类中声明为virtual 返回类型函数名(参数) = 0;。
特点：
- 它没有函数体，不能直接在基类中调用。
- 纯虚函数用于定义一个接口，迫使派生类提供具体实现。
示例：

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
};

2. 抽象类 (Abstract Class)

抽象类是包含至少一个纯虚函数的类，不能直接实例化。

定义：一个包含至少一个纯虚函数的类就是抽象类。
特点：
- 不能创建抽象类的对象。
- 抽象类可以包含普通的成员函数和数据成员。
- 抽象类通常作为基类，用于定义接口或公有行为。
示例：

class Shape { // 抽象类
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
    void move(int x, int y) { // 普通成员函数
        // 移动操作实现
    }
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        // 提供具体实现
        std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;
    }
};

区别与联系

应用场景

纯虚函数：用来规定子类必须实现的接口，比如 draw、resize。
抽象类：用来定义一个共同的基类，比如Shape是所有几何形状的基类。

纯虚函数和抽象类在面向对象编程中的意义

在面向对象编程（OOP）中，纯虚函数和抽象类是实现多态性和接口设计的重要工具，它们的意义体现在以下几个方面：

1. 定义接口，保证统一性

意义：纯虚函数和抽象类用于定义一个统一的接口，明确规定所有子类必须实现的功能。抽象类提供了一个基础框架，所有派生类必须遵循这个框架来实现具体功能。
好处：通过抽象类，开发者可以为不同的子类提供一致的接口，使得代码更加规范、统一。

示例：

class Drawable {
public:
    virtual void draw() = 0; // 定义统一的接口
};

class Circle : public Drawable {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a Circle" << std::endl;
    }
};

class Rectangle : public Drawable {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a Rectangle" << std::endl;
    }
};

意义：在上述例子中，所有图形（如圆形、矩形）都有一个统一的 draw 接口。

2. 支持多态性，实现动态绑定

意义：通过纯虚函数和抽象类，调用时可以根据对象的实际类型动态选择合适的实现，从而实现多态性。这种动态行为使得代码更灵活、可扩展。
好处：多态性消除了对对象类型的显式判断，增强了系统的开放性和灵活性。

示例：

void render(Drawable* shape) {
    shape->draw(); // 多态性：根据实际对象类型调用相应的 draw 实现
}

int main() {
    Circle c;
    Rectangle r;
    render(&c); // 输出 "Drawing a Circle"
    render(&r); // 输出 "Drawing a Rectangle"
}

意义：客户端代码无需知道具体的对象类型，只需调用基类接口即可。

解耦与扩展性

意义：抽象类可以隔离接口与具体实现，减少模块之间的耦合，从而提高系统的扩展性。如果需要添加新功能，只需创建新的派生类，而不需要修改现有代码（遵循开闭原则）。
好处：通过抽象类，可以将接口设计与实现分离，便于代码的维护和扩展。

示例：

// 添加新的图形类型
class Triangle : public Drawable {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a Triangle" << std::endl;
    }
};

意义：扩展时不需要修改 render 函数，只需传入新的 Triangle 类型对象即可。

4. 代码复用与公共行为定义

意义：抽象类不仅可以定义接口，还可以提供部分公共功能，子类可以继承和复用这些功能。
好处：减少代码重复，提高代码的可维护性。

示例：

class Shape {
public:
    void move(int x, int y) { // 公共功能
        std::cout << "Moving shape to (" << x << ", " << y << ")" << std::endl;
    }
    virtual void draw() = 0; // 子类实现具体行为
};