C++ 纯虚函数与抽象类：打造你的代码乐高积木
想象一下，你是一位建筑师，手头有一大堆乐高积木。你想要用这些积木搭建各种各样的建筑：房子、城堡、甚至是宇宙飞船。但是，你希望确保每个建筑都有一些基本的功能，比如必须有门、有窗户、还得能挡风遮雨。
这时候，你就需要一种“蓝图”，一种规定了所有建筑必须遵守的规则，但又不指定具体实现方式的蓝图。在 C++ 的世界里，这个“蓝图”就是抽象类，而蓝图上那些必须实现的规则，就是纯虚函数。
什么是纯虚函数？为什么它这么“纯”？
简单来说，纯虚函数就是一个没有实际定义的虚函数。它只有一个声明，告诉编译器：“嘿，将来会有某个派生类来提供这个函数的具体实现，我这里只是个占位符”。
它的语法长这样：
virtual void makeSound() = 0;注意那个 = 0，它就是纯虚函数的标志。你可以把它理解成“这个函数的功能必须由派生类来实现，否则别想通过编译！”
为什么叫它“纯”虚函数呢？因为它是“纯粹的”虚函数，它没有自己的实现，完全依赖派生类来提供。这就像一张白纸，只规定了必须画什么内容，但具体怎么画，用什么颜色，完全由你决定。
抽象类：一个“未完成”的类
一个类如果包含至少一个纯虚函数，那么它就变成了一个抽象类。抽象类就像一个半成品，它不能被实例化，也就是说，你不能直接创建一个抽象类的对象。
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
virtual void eat() {
std::cout << "Animal is eating..." << std::endl;
}
};
// 错误！不能创建抽象类的对象
// Animal animal;
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Woof!" << std::endl;
}
};
int main() {
Dog dog; // 正确！Dog 类实现了 makeSound()
dog.makeSound(); // 输出: Woof!
dog.eat(); // 输出: Animal is eating...
return 0;
}在上面的例子中，Animal 类包含一个纯虚函数 makeSound()，因此它是一个抽象类。你不能直接创建 Animal 类的对象，但你可以创建 Animal 类的派生类，例如 Dog 类，并且必须实现 makeSound() 函数。
为什么要有抽象类和纯虚函数？
抽象类和纯虚函数的主要作用是定义接口和强制派生类实现特定的功能。
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定义接口： 抽象类就像一个协议，它规定了所有派生类必须提供的功能。这使得你可以编写更加通用和灵活的代码。
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强制派生类实现： 纯虚函数强制派生类必须提供具体的实现，否则派生类也会变成抽象类。这确保了所有派生类都具有特定的功能，从而提高了代码的可靠性和可维护性。
抽象类和纯虚函数的应用场景
抽象类和纯虚函数在实际开发中有很多应用场景，例如：
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图形库： 可以定义一个抽象类
Shape，包含纯虚函数draw()和getArea()。然后，派生类Circle、Rectangle、Triangle分别实现draw()和getArea()函数，从而绘制不同形状的图形并计算它们的面积。 -
数据库访问： 可以定义一个抽象类
Database，包含纯虚函数connect()、query()和disconnect()。然后，派生类MySQLDatabase、PostgreSQLDatabase分别实现这些函数，从而连接到不同的数据库并执行查询操作。 -
游戏引擎： 可以定义一个抽象类
GameObject，包含纯虚函数update()和render()。然后，派生类Player、Enemy、Item分别实现这些函数，从而更新游戏对象的状态并渲染它们。
举个更生动的例子：动物世界模拟器
假设我们要创建一个动物世界模拟器，模拟各种动物的行为。我们可以使用抽象类和纯虚函数来实现这个模拟器。
首先，我们定义一个抽象类 Animal，它包含以下纯虚函数：
class Animal {
public:
// 动物必须发出声音
virtual void makeSound() = 0;
// 动物必须移动
virtual void move() = 0;
// 动物必须吃东西 (虽然吃什么不确定)
virtual void eat() = 0;
// 这是一个虚函数，可以被派生类重写，也可以使用默认实现
virtual void sleep() {
std::cout << "Animal is sleeping..." << std::endl;
}
};然后，我们可以创建 Animal 类的派生类，例如 Dog、Cat 和 Bird：
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Woof!" << std::endl;
}
void move() override {
std::cout << "Dog is running..." << std::endl;
}
void eat() override {
std::cout << "Dog is eating bones..." << std::endl;
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Meow!" << std::endl;
}
void move() override {
std::cout << "Cat is walking..." << std::endl;
}
void eat() override {
std::cout << "Cat is eating fish..." << std::endl;
}
};
class Bird : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Tweet!" << std::endl;
}
void move() override {
std::cout << "Bird is flying..." << std::endl;
}
void eat() override {
std::cout << "Bird is eating seeds..." << std::endl;
}
};现在，我们可以创建一个动物世界模拟器，让各种动物执行它们的行为：
int main() {
Dog dog;
Cat cat;
Bird bird;
std::cout << "The animal world is starting..." << std::endl;
dog.makeSound();
dog.move();
dog.eat();
dog.sleep();
cat.makeSound();
cat.move();
cat.eat();
cat.sleep();
bird.makeSound();
bird.move();
bird.eat();
bird.sleep();
std::cout << "The animal world is ending..." << std::endl;
return 0;
}通过使用抽象类和纯虚函数，我们成功地定义了一个动物世界的接口，并强制所有动物都必须实现特定的行为。这使得我们可以轻松地添加新的动物，并确保它们都具有基本的功能。
抽象类与接口（Interface）的区别
在一些编程语言中（例如 Java），有专门的接口（Interface）概念。C++ 中虽然没有直接的 interface 关键字，但抽象类可以起到类似的作用。
主要区别在于：
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抽象类可以包含成员变量和非纯虚函数（即带有实现的虚函数），而接口通常只能包含纯虚函数（或常量）。 这意味着抽象类可以提供一些默认的实现，而接口则完全依赖派生类来实现。
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一个类只能继承一个类，但可以实现多个接口。 C++ 中，一个类只能继承一个父类（包括抽象类），但可以实现多个抽象类，只要这些抽象类之间没有冲突的函数签名。
总结
抽象类和纯虚函数是 C++ 中非常重要的概念，它们可以帮助你编写更加灵活、可维护和可扩展的代码。
- 纯虚函数： 一个没有实际定义的虚函数，必须由派生类实现。
- 抽象类： 包含至少一个纯虚函数的类，不能被实例化。
- 作用： 定义接口，强制派生类实现特定的功能。
- 应用场景： 图形库、数据库访问、游戏引擎等。
希望通过这篇文章，你能够更好地理解抽象类和纯虚函数的概念，并在实际开发中灵活运用它们，打造出更加健壮和优雅的代码！记住，代码就像乐高积木，抽象类和纯虚函数就是你手中的蓝图，它们可以帮助你搭建出各种各样令人惊叹的建筑！