掌握C++多态与继承：从虚函数到抽象类

背景简介

在C++面向对象编程中，虚函数和纯虚函数是实现多态性的关键机制。通过继承和多态性，我们可以设计出既灵活又可扩展的代码结构。本篇博客将基于书籍《Patterns, Models, and Application Development: A C++ Programmer's Reference》的第28章，深入探讨虚函数和纯虚函数的概念及其在继承结构中的应用。

虚函数的重写与重载

虚函数在基类中被声明，并在派生类中被重写以提供特定行为。重写时，派生类中的函数必须具有与基类相同的接口，即相同的函数名和参数列表。这样，通过基类指针或引用，程序可以调用相应派生类的实现，实现多态性。在重载的情况下，如果函数名相同但参数列表不同，则是编译器将函数静态绑定的另一个过程。

class BaseClass {
public:
    virtual void func() {
        // ...
    }
};

class DerClass1 : public BaseClass {
public:
    virtual void func() override {
        // ...
    }
};

纯虚函数与抽象类

纯虚函数是一种特殊类型的虚函数，其声明形式为 virtual return-type function-name(parameter-list) = 0; 。纯虚函数的存在使得含有它的类成为抽象类，无法被实例化。所有派生类必须提供纯虚函数的具体实现，否则编译器将报错。纯虚函数通常用于定义接口，而不提供具体实现。

class GeoFigure {
public:
    virtual float Area(float x, float y) = 0; // 纯虚函数
};

抽象类的实现

抽象类是包含至少一个纯虚函数的类，它提供了一个接口规范，派生类通过覆盖这些函数来实现具体的功能。抽象类通常用于定义一个通用的接口，而具体的实现则留给派生类来完成。在实际应用中，抽象类可以作为派生类对象的基类指针，实现多态调用。

// SAM07-13.CPP
GeoFigure *base_ptr; // 指向基类的指针
Rectangle obj1; // 声明派生类的对象
Triangle obj2;
Circle obj3;

// 多态性地访问派生类中的方法
base_ptr = &obj1; // 将基类指针设置为Rectangle
cout << "\nRectangle area: " << base_ptr->Area(5.1, 10);
// ...

继承结构的建模

C++支持多种类型的继承，包括抽象类和虚函数，这使得程序设计可以变得非常灵活。然而，复杂的继承结构可能会导致代码难以理解和维护。因此，合理地使用抽象类和虚函数，集中于继承结构的设计，而非编码细节，是编写清晰代码的关键。

总结与启发

本章节详细介绍了C++中虚函数和纯虚函数的概念及其在继承结构中的应用。理解这些概念对于掌握面向对象设计至关重要。纯虚函数为接口提供了灵活性，而继承则允许我们根据需要扩展功能。在设计复杂的类层次结构时，应该避免过度复杂化，而应该注重清晰和可维护性。通过本章的学习，我们可以更好地利用继承和多态性来设计可扩展的软件系统。

在结束本文之前，我建议读者通过实践来加深对这些概念的理解。可以尝试创建一个小型的类层次结构，并在其中实现虚函数和纯虚函数，观察它们如何影响程序的行为。此外，阅读更多关于设计模式的内容，如工厂模式、策略模式等，将有助于更好地理解这些概念在实际软件开发中的应用。