C++学习22、虚函数与抽象类

在C++面向对象编程中，虚函数和抽象类是实现多态性的两大基石。它们不仅增强了代码的灵活性和可扩展性，还使得设计更加符合现实世界的复杂性和变化性。本文将深入探讨C++中的虚函数和抽象类的概念、用法、以及它们在实际编程中的应用，旨在帮助读者更好地理解和运用这些高级特性。

一、虚函数：多态性的实现机制

1.什么是虚函数？

虚函数（Virtual Function）是C++中用于实现多态性的一种机制。当一个类中的成员函数被声明为虚函数时，它允许派生类（子类）重写（Override）该函数，从而在运行时根据对象的实际类型调用相应的函数版本。这种特性使得程序能够根据对象的类型动态地选择执行哪个函数，而不是在编译时静态地决定。

2.虚函数的声明与实现

在C++中，通过在基类中将成员函数声明为virtual来定义虚函数。例如：

class Base {
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base class show function" << endl;
    }

};

在派生类中，可以通过重写（Override）这个虚函数来提供自己的实现：

cpp

class Derived : public Base {
public:
    void show() override { // 使用override关键字明确表示重写
        cout << "Derived class show function" << endl;
    }

};

3.虚函数表（VTable）与虚指针（VPtr）

C++编译器通过为每个包含虚函数的类生成一个虚函数表（VTable）来实现虚函数机制。虚函数表中存储了指向类中所有虚函数的指针。每个对象在创建时，都会包含一个指向其所属类的虚函数表的指针（VPtr）。当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据VPtr找到正确的虚函数表，进而调用相应的函数实现。

4.虚函数的应用场景

虚函数广泛应用于需要多态性的场景，如：

• 接口设计：定义通用的接口，允许不同实现类提供具体行为。
• 事件处理：在图形用户界面（GUI）编程中，处理用户输入事件（如点击、按键）时，不同控件可能有不同的响应逻辑。
• 插件系统：允许第三方开发者在不修改主程序代码的情况下，通过实现特定接口来扩展程序功能。

二、抽象类：定义接口与约束

1.什么是抽象类？

抽象类（Abstract Class）是一种特殊的类，它不能直接实例化，通常用于定义接口或作为基类，要求派生类实现特定的功能。抽象类中至少包含一个纯虚函数（Pure Virtual Function），即声明为virtual且没有函数体的函数。

2.纯虚函数的声明

纯虚函数的声明方式是在函数声明后加上= 0：

class AbstractBase {
public:
    virtual void pureVirtualFunction() = 0; // 纯虚函数

};

由于包含纯虚函数，AbstractBase成为了一个抽象类，不能直接实例化：

cpp

AbstractBase obj; // 错误：抽象类不能实例化

3.抽象类的应用

抽象类主要用于：

• 定义接口：为派生类提供一套必须实现的函数接口，确保所有派生类都遵循相同的规范。
• 隐藏实现细节：通过抽象类，可以隐藏具体实现细节，只暴露必要的接口给外部使用，增强代码的封装性和安全性。
• 实现多态性：结合虚函数，抽象类允许在运行时根据对象的实际类型调用不同的函数实现，实现多态性。

4.抽象类的实现与继承

派生类必须实现抽象基类中的所有纯虚函数，才能被实例化：

class ConcreteDerived : public AbstractBase {
public:
    void pureVirtualFunction() override {
        cout << "ConcreteDerived class implementation of pureVirtualFunction" << endl;
    }
};
 
int main() {
    ConcreteDerived obj; // 正确：ConcreteDerived实现了所有纯虚函数
    obj.pureVirtualFunction();
    return 0;

}

三、虚函数与抽象类的综合应用

1.设计模式中的应用

虚函数和抽象类在设计模式中有着广泛的应用，如：

• 策略模式：定义一系列算法，将每一个算法封装起来，并使它们可以互换。策略模式使得算法可独立于使用它的客户端而变化。
• 工厂模式：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
• 观察者模式：定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象改变状态时，其所有依赖者都会收到通知并自动更新。

2.实战案例分析

假设我们正在设计一个图形绘制系统，需要支持多种图形（如圆形、矩形）的绘制。我们可以使用抽象类和虚函数来实现这一需求：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
 
// 抽象基类Shape
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default; // 虚析构函数，确保派生类对象正确释放
    virtual void draw() const = 0; // 纯虚函数，要求派生类实现
};
 
// 派生类Circle
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;
    }
};
 
// 派生类Rectangle
class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Rectangle" << std::endl;
    }
};
 
// 使用场景：绘制多个图形
int main() {
    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
    shapes.push_back(std::make_unique<Circle>());
    shapes.push_back(std::make_unique<Rectangle>());
 
    for (const auto& shape : shapes) {
        shape->draw(); // 多态调用，根据对象实际类型调用相应函数
    }
 
    return 0;

}

在这个例子中，Shape是一个抽象基类，定义了draw纯虚函数。Circle和Rectangle是具体的图形类，它们实现了draw函数。通过std::vector<std::unique_ptr<Shape>>，我们可以存储不同类型的图形对象，并在运行时根据对象的实际类型调用相应的draw函数，实现了多态性。