虚函数和纯虚函数

🕗 发布于 2024-11-11 12:58 c++ 开发语言

在C++中，虚函数（Virtual Function）和纯虚函数（Pure Virtual Function）都是实现多态性的重要工具。虽然它们在概念上相关，但有着不同的用途和特性。以下将详细解释它们的区别、用途以及如何在实际编程中使用它们。

1. 基本定义

虚函数（Virtual Function）

虚函数是在基类中声明的，可以在派生类中被重写（覆盖）的函数。它允许通过基类指针或引用调用派生类中的函数实现，从而实现运行时多态。

class Base {
public:
    virtual void display() {
        std::cout << "Display from Base" << std::endl;
    }
};

纯虚函数（Pure Virtual Function）

纯虚函数是一个没有实现的虚函数，基类中声明为纯虚函数的类被称为抽象类。纯虚函数强制派生类必须提供该函数的具体实现，否则派生类也将成为抽象类，无法实例化。

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

2. 主要区别

特性	虚函数（Virtual Function）	纯虚函数（Pure Virtual Function）
定义方式	`virtual 返回类型函数名(参数列表)`	`virtual 返回类型函数名(参数列表) = 0;`
实现	可以在基类中提供默认实现	不提供实现，必须在派生类中实现
类类型	基类可以是具体类（可实例化）	基类必须是抽象类（不可实例化）
强制性	派生类可以选择是否重写	派生类必须重写，否则也是抽象类
用途	提供默认行为，允许派生类覆盖	定义接口，强制派生类实现特定行为

3. 详细说明

虚函数的特点

多态性：
- 虚函数允许在运行时决定调用哪个函数实现，这称为运行时多态。
- 通过基类指针或引用，可以调用派生类中重写的函数。
默认实现：
- 基类中可以为虚函数提供默认实现，派生类可以选择是否覆盖。
- 如果派生类没有重写虚函数，调用基类的实现。
非抽象类：
- 包含虚函数的类仍然是具体类，可以被实例化。

语法：

class Base {
public:
    virtual void display() {
        std::cout << "Display from Base" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void display() override { // 重写虚函数
        std::cout << "Display from Derived" << std::endl;
    }
};

纯虚函数的特点

抽象性：
- 包含纯虚函数的类是抽象类，不能被实例化。
- 纯虚函数没有实现，派生类必须提供具体实现。
接口定义：
- 纯虚函数用于定义接口，确保派生类实现特定的行为。
- 类似于其他语言中的接口（如Java中的interface）。
强制重写：
- 派生类如果不实现所有继承的纯虚函数，仍然是抽象类，无法实例化。

语法：

class AbstractBase {
public:
    virtual void display() = 0; // 纯虚函数
    virtual ~AbstractBase() = default; // 虚析构函数
};

class Derived : public AbstractBase {
public:
    void display() override { // 必须实现纯虚函数
        std::cout << "Display from Derived" << std::endl;
    }
};

4. 使用场景对比

虚函数的使用场景

提供默认行为：基类提供一个通用的实现，派生类可以根据需要选择是否覆盖。
可选覆盖：派生类可以继承基类的行为，或者根据需求提供特定实现。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>

class Animal {
public:
    virtual void makeSound() {
        std::cout << "Some generic animal sound." << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() override { // 重写虚函数
        std::cout << "Woof!" << std::endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
    // 不重写 makeSound，使用基类的默认实现
};

int main() {
    std::vector<Animal*> animals = { new Dog(), new Cat() };

    for(auto animal : animals) {
        animal->makeSound();
    }

    // 输出：
    // Woof!
    // Some generic animal sound.

    // 清理内存
    for(auto animal : animals) {
        delete animal;
    }

    return 0;
}

纯虚函数的使用场景

定义接口：创建一个接口，确保所有派生类实现特定的函数。
强制实现：确保所有具体类实现某些关键功能，避免遗漏。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>

// 抽象基类
class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数，强制派生类实现
    virtual ~Shape() = default;
};

// 具体类
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a Circle." << std::endl;
    }
};

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

int main() {
    // Shape s; // 错误：无法实例化抽象类

    std::vector<Shape*> shapes = { new Circle(), new Rectangle() };

    for(auto shape : shapes) {
        shape->draw();
    }

    // 输出：
    // Drawing a Circle.
    // Drawing a Rectangle.

    // 清理内存
    for(auto shape : shapes) {
        delete shape;
    }

    return 0;
}

5. 示例对比

为了更直观地理解虚函数和纯虚函数的区别，以下通过两个完整的示例进行对比。

示例1：使用虚函数

#include <iostream>
#include <vector>

class Printer {
public:
    virtual void print() {
        std::cout << "Printing from Printer" << std::endl;
    }
};

class LaserPrinter : public Printer {
public:
    void print() override {
        std::cout << "Printing from LaserPrinter" << std::endl;
    }
};

class InkjetPrinter : public Printer {
public:
    void print() override {
        std::cout << "Printing from InkjetPrinter" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::vector<Printer*> printers = { new Printer(), new LaserPrinter(), new InkjetPrinter() };

    for(auto printer : printers) {
        printer->print();
    }

    // 输出：
    // Printing from Printer
    // Printing from LaserPrinter
    // Printing from InkjetPrinter

    // 清理内存
    for(auto printer : printers) {
        delete printer;
    }

    return 0;
}

说明：

Printer 类提供了一个默认的 print 实现。
LaserPrinter 和 InkjetPrinter 类重写了 print 函数。
当调用 print 时，基类和派生类的实现都会被调用，具体取决于对象的实际类型。

示例2：使用纯虚函数

#include <iostream>
#include <vector>

// 抽象基类
class Vehicle {
public:
    virtual void startEngine() = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Vehicle() = default;
};

// 具体类
class Car : public Vehicle {
public:
    void startEngine() override {
        std::cout << "Car engine started." << std::endl;
    }
};

class Motorcycle : public Vehicle {
public:
    void startEngine() override {
        std::cout << "Motorcycle engine started." << std::endl;
    }
};

int main() {
    // Vehicle v; // 错误：无法实例化抽象类

    std::vector<Vehicle*> vehicles = { new Car(), new Motorcycle() };

    for(auto vehicle : vehicles) {
        vehicle->startEngine();
    }

    // 输出：
    // Car engine started.
    // Motorcycle engine started.

    // 清理内存
    for(auto vehicle : vehicles) {
        delete vehicle;
    }

    return 0;
}

说明：

Vehicle 类是一个抽象类，定义了一个纯虚函数 startEngine。
Car 和 Motorcycle 类必须实现 startEngine 函数。
通过基类指针调用 startEngine，实现了多态性。

6. 关键点总结

特性	虚函数（Virtual Function）	纯虚函数（Pure Virtual Function）
定义	`virtual void func();`	`virtual void func() = 0;`
实现	可以在基类中实现	不在基类中实现，派生类必须实现
类类型	基类可以实例化	基类是抽象类，不能实例化
强制性	派生类可以选择实现或使用基类实现	派生类必须实现，或者继续保持抽象
典型用途	提供可选的默认行为	定义接口，强制派生类实现特定行为

关键点

虚函数提供灵活性：
- 允许基类提供默认实现，派生类可以根据需要选择覆盖或继承。
- 适用于需要共享某些通用行为，但允许具体类进行定制的场景。
纯虚函数强制实现：
- 定义接口或抽象基类，确保所有具体类实现特定功能。
- 适用于需要统一接口但行为由具体类定义的场景。
抽象类与具体类：
- 含有纯虚函数的类是抽象类，无法实例化，只能作为基类。
- 含有虚函数但无纯虚函数的类是具体类，可以实例化。
多态性的实现：
- 虚函数和纯虚函数都是实现多态性的手段。
- 通过基类指针或引用，可以调用具体类的实现，增强代码的灵活性和可扩展性。

7. 进一步阅读与学习

C++ 官方文档：深入了解虚函数和纯虚函数.
设计模式：学习如何在设计模式中使用虚函数和纯虚函数，如模板方法模式和策略模式.
C++ 多态性：理解运行时多态的工作原理及其在面向对象编程中的应用。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_45993770/article/details/143641363

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