C++ pure virtual,impure virtual,non-virtual函数关于继承的实际意义

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本文探讨了C++中纯虚函数、虚函数和非虚函数在继承中的实际意义。纯虚函数作为抽象类接口，强制派生类实现；虚函数允许派生类覆写，提供默认实现或接口；非虚函数则继承接口并强制实现，但派生类也可覆盖。文章通过示例说明了这些概念在面向对象设计中的应用。

区分接口继承和实现继承

本篇主要讨论pure virtual函数(纯虚函数),impure virtual函数(虚函数),以及non-virtual函数(非虚函数)继承中的实际意义.

概念上通过public继承,实际上可以分为函数接口继承(function interfaces)和函数实现继承(funcion implementations).

考虑下面这个例子

class Shape{
   
   
public:
virtual void draw()const = 0;//pure virtual 
virtual void error(const std::string& msg);//virtual
int objectID()const;//non-virtual
...
};
class Rectangle:public Shape{
   
   ...};
class Ellipse:public Shape{
   
   ...};

首先来看pure virtual函数:
Shape定义了一个纯虚函数,所以它是一个抽象类,客户不能创建抽象类的实体,只能创建其派生类(derived classes)的实体.
成员函数的接口总会被继承,Shape的派生类都必须在其内部对这个接口(draw)进行实现.(属于指定接口继承)
这里语法上是可以对Shape的pure virtual函数进行定义的,虽然基类无法创建对象使用,但派生类作用域包含基类,可以通过基类显示利用作用域运算符(::)调用其基类部分使用(看似鸡肋但部分情况下有用,后面详述)。

接下来看impure virtual函数,根据语法,任何派生类继承基类的虚函数,无论是否给与virtual关键字显示指出,其都将拥有虚属性.这里的实际意义在于.你可以自己覆写(override)一个error函数版本,也可以不覆写,默认使用基类提供的缺省版本.(属于指定接口继承&缺省实现继承)
以下面的例子解释一下:

class Airport{
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在c++中，虚函数也是很重要的一部分。接下来对non-virtual函数、virtual函数和pure virtual函数进行区分。主要应用在class中，通知需要通过子类对父类继承时使用，通常有接口继承和实现继承。 non—virtual函数，即不是虚函数的函数，它不希望子类重新定义（override）此函数。也就是提供接口继承，并强制性实现继承。 virtual函数，希望子类去重新定义该函数，并该函数在父类有已有默认定义。既可以直接继承父类实现，也可以子类自己定义。提供接口继承，对于实现继承不强制。
继承是接口的一部分时，应用哪种继承方式
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<think>我们正在讨论的是接口继承和实现继承的关系。根据引用[1]的内容，我们可以将继承分为接口继承和实现继承。在public继承中，派生类总是继承基类的接口，但具体的实现继承方式取决于成员函数的类型： 1. pure virtual函数：只继承接口，不继承实现（派生类必须提供实现） 2. impure virtual函数（普通虚函数）：继承接口和缺省实现（派生类可以选择是否重写） 3. non-virtual函数：继承接口和强制性实现（派生类不应重写，因为不符合多态） 现在，用户的问题是：“当继承作为接口的一部分时，应该使用哪种类型的继承”。这里需要明确，接口继承和实现继承是两种不同的概念。在接口设计中，我们通常关注的是接口继承，即定义一组方法签名（接口），而不关心具体实现。 在面向对象编程中，接口继承通常通过以下方式实现： - 在C++中，使用纯虚函数（pure virtual function）来定义接口，这样派生类必须实现这些函数，从而实现了接口继承。 - 在Java和C#等语言中，有专门的interface关键字，用于定义纯接口（只包含方法签名，没有实现），类可以实现（implement）多个接口。 因此，当继承作为接口的一部分时，我们应该使用接口继承（即只继承方法签名，不继承实现）。具体到不同语言： 1. **C++**：使用抽象基类（Abstract Base Class, ABC），其中所有函数都是纯虚函数（pure virtual）。例如： ```cpp class Shape { public: virtual double area() const = 0; // 纯虚函数，只继承接口 virtual ~Shape() = default; }; ``` 2. **Java/C#**：使用接口（interface）关键字定义纯接口。例如： ```java public interface Shape { double area(); // 接口方法，无实现 } ``` 3. **Go**：接口是隐式实现的，只要类型实现了接口中定义的所有方法，就视为实现了该接口。接口定义只包含方法签名，不包含实现（引用[2]中提到了Go的接口类型转换，说明Go的接口也是只继承接口，不继承实现）。 另外，引用[4]提到，在Java中，List和Set是Collection的子接口，而Map是独立的接口。这进一步说明，接口继承（子接口）用于扩展接口，而不涉及实现。 **总结**：当继承作为接口的一部分时，应该使用纯接口继承（即只继承方法签名，不继承实现）。具体实现方式： - C++：抽象基类（纯虚函数） - Java/C#：interface关键字 - Go：interface类型 这样设计的好处是： - 实现接口与实现的分离，提高灵活性和可扩展性。 - 支持多继承（多个接口），避免实现继承带来的问题（如菱形继承问题）。 **注意事项**： - 避免在接口中定义非虚函数（non-virtual），因为这会强制实现继承，破坏接口的纯洁性。 - 谨慎使用虚函数（提供默认实现），因为这可能导致实现继承，如果派生类忘记重写，可能引发问题。 **相关问题**： 1. 在C++中，如何设计一个纯接口类？ 2. 接口继承和实现继承的主要区别是什么？ 3. 在Go语言中，接口的隐式实现有什么优缺点？ 4. 为什么Map接口在Java中不继承自Collection接口？</think>### 接口继承类型的选择指南 当继承作为接口设计的一部分时，**应优先选择纯接口继承（Pure Virtual Inheritance）**，这是面向对象设计的核心原则。不同继承方式在接口设计中的适用性如下： --- ### 一、接口继承的三种类型对比 | **继承类型** | 语法特征 | 适用场景 | 风险 | 语言支持示例 | |---------------------------|------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------| | **纯接口继承** | 纯虚函数（`=0`） | 定义强制实现的规范 | 无默认实现需完全重写 | C++抽象类, Java接口, Go接口 | | **接口+缺省实现继承** | 虚函数（带实现体） | 提供可选的扩展点 | 可能导致"脆弱基类"问题[^1] | C++虚函数, Java默认方法 | | **强制实现继承** | 非虚函数 | 固定不变的核心行为 | 破坏多态性，违反Liskov替换原则[^1] | 所有语言的普通成员函数 | --- ### 二、最佳实践场景分析 #### 1. 首选纯接口继承（✅ 推荐） **适用场景**： - 定义跨模块通信契约（如插件系统） - 需要多继承的场景（Java/C#/Go的接口可多继承） - 强制实现者提供特定功能 **代码示例**： ```java // Java 纯接口 public interface Drawable { void render(); // 纯接口声明 } // Go 接口 type Writer interface { Write([]byte) (int, error) } ``` **优势**： - 解耦接口与实现（符合DIP原则） - 支持运行时类型检查与转换[^2] - 避免实现继承的耦合风险 #### 2. 谨慎使用接口+缺省实现（⚠️ 有限使用） **适用场景**： - 为接口提供向后兼容的扩展 - 非核心功能的可选实现 - 减少重复代码（模板方法模式） **风险控制**： ```cpp // C++ 带保护的缺省实现 class Loggable { public: virtual ~Loggable() = default; virtual void log() { // 提供基础实现但允许重写 defaultLogImpl(); } private: void defaultLogImpl(); // 隐藏实现细节 }; ``` #### 3. 避免强制实现继承（❌ 不推荐） **问题案例**： ```cpp class Collection { public: void clear() { ... } // 非虚函数 }; // 派生类无法重写clear()，违反集合接口规范[^4] ``` --- ### 三、语言特性差异 | **语言** | 纯接口机制 | 缺省实现机制 | 多继承支持 | |----------|---------------------|--------------------|-------------------| | C++ | `class IInterface { virtual void f() = 0; }` | 虚函数实现体 | 支持多接口继承 | | Java | `interface` 关键字 | `default` 方法 | 支持多接口实现 | | Go | `interface` 类型 | 通过嵌入结构体实现 | 隐式实现多接口[^2]| | C# | `interface` | 显式接口实现 | 支持多接口 | > **关键设计原则**： > $$ \text{接口稳定性} \propto \frac{\text{纯抽象方法数量}}{\text{具体方法数量}} $$ > 纯接口比例越高，系统的扩展性和维护性越强[^1][^3] --- ### 四、实际应用决策树 ```mermaid graph TD A[需要定义接口] --> B{是否需要默认实现?} B -->|否| C[使用纯接口继承] B -->|是| D{默认实现是否稳定?} D -->|是| E[使用虚函数+缺省实现] D -->|否| F[拆分为纯接口+独立工具类] ``` --- ### 五、典型错误案例 **错误**：在接口中使用非虚函数 ```cpp // 违反接口隔离原则 class IDataStorage { public: void save() { /* 强制实现 */ } // 应改为virtual virtual void load() = 0; }; ``` **后果**： - 派生类无法重写`save()`方法 - 违反开闭原则，修改基类会影响所有派生类[^1] - 无法通过接口引用调用正确实现（失去多态性） --- ### 相关问题 1. 如何在C++中实现类似Java的`interface`机制？ 2. 接口继承与模板元编程如何协同工作？ 3. Go语言的接口隐式实现机制有哪些优缺点[^2]？ 4. 为什么Java的Map接口不继承自Collection[^4]？ 5. 设计模式（如策略模式）中如何应用纯接口继承？
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