C++讲座：纯虚函数与抽象类的奇妙世界
大家好！欢迎来到今天的C++技术讲座。今天我们要探讨的是C++中的两个重要概念——纯虚函数（Pure Virtual Function）和抽象类（Abstract Class）。听起来是不是有点吓人？别担心，我会用轻松诙谐的语言，带你一步步走进这个奇妙的世界。
开场白：为什么我们需要纯虚函数和抽象类？
在编程的世界里，我们经常需要定义一些“通用规则”或“接口”，让子类去实现具体的细节。比如，如果我们有一个Animal类，我们知道所有的动物都会发出声音，但具体的声音是什么，只有猫、狗、鸟这些具体的动物才知道。这时，我们就需要用到纯虚函数和抽象类了！
简单来说：
- 纯虚函数是C++中的一种特殊函数，它只定义接口，不提供具体实现。
- 抽象类是一个包含至少一个纯虚函数的类，不能直接实例化，只能作为基类使用。
接下来，让我们深入探讨它们的具体含义和用法吧！
第一讲：什么是纯虚函数？
纯虚函数是一种特殊的虚函数，它的作用是强制派生类必须实现某个函数。定义纯虚函数的方式很简单，只需要在函数声明后面加上= 0即可。
示例代码：
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
};在这里，makeSound()是一个纯虚函数。这意味着任何从Animal类继承的子类都必须实现makeSound()函数，否则编译器会报错。
纯虚函数的特点：
- 必须被重写：派生类必须提供具体实现，否则也无法实例化。
- 不能调用：纯虚函数本身没有实现，因此无法直接调用。
- 虚函数机制：纯虚函数仍然遵循多态性，通过基类指针可以调用派生类的实现。
第二讲：抽象类登场！
当一个类中包含纯虚函数时，这个类就被称为抽象类。抽象类不能直接创建对象，只能作为基类使用。换句话说，抽象类就是用来定义“规范”的。
示例代码：
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
void eat() {
std::cout << "Eating..." << std::endl;
}
};
// 子类必须实现纯虚函数
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Woof!" << std::endl;
}
};
int main() {
// 错误：不能实例化抽象类
// Animal animal;
Dog dog;
dog.makeSound(); // 输出：Woof!
dog.eat(); // 输出：Eating...
return 0;
}在这个例子中，Animal是一个抽象类，因为它包含了一个纯虚函数makeSound()。而Dog类实现了makeSound()，所以它可以被实例化。
第三讲：纯虚函数 vs 普通虚函数
为了更好地理解纯虚函数的作用，我们可以通过一个表格来对比它与普通虚函数的区别：
| 特性 | 普通虚函数 | 纯虚函数 |
|---|---|---|
| 是否有具体实现 | 有 | 没有 |
| 是否必须被重写 | 不一定 | 必须 |
| 是否可以实例化 | 可以 | 不可以（所在类为抽象类） |
| 使用场景 | 提供默认实现 | 强制派生类实现特定功能 |
第四讲：为什么需要抽象类？
抽象类的主要目的是定义一个“接口”或“规范”，让派生类遵循某种设计模式。以下是一些常见的使用场景：
- 接口定义：抽象类可以用来定义一组相关的操作，让派生类实现具体的逻辑。
- 代码复用：抽象类可以包含非纯虚函数，提供一些通用的功能。
- 强制实现：通过纯虚函数，确保派生类不会遗漏某些关键功能。
示例代码：
class Shape {
public:
virtual double getArea() = 0; // 纯虚函数
virtual double getPerimeter() = 0; // 纯虚函数
void displayInfo() {
std::cout << "Area: " << getArea() << ", Perimeter: " << getPerimeter() << std::endl;
}
};
class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
double getArea() override { return 3.14159 * radius * radius; }
double getPerimeter() override { return 2 * 3.14159 * radius; }
};
int main() {
Circle circle(5);
circle.displayInfo(); // 输出：Area: 78.5397, Perimeter: 31.4159
return 0;
}在这个例子中，Shape是一个抽象类，定义了getArea()和getPerimeter()两个纯虚函数。Circle类实现了这些函数，并且可以调用displayInfo()来展示计算结果。
第五讲：国外技术文档中的观点
根据《The C++ Programming Language》一书的描述，纯虚函数和抽象类是C++中实现多态性和接口定义的重要工具。Stroustrup（C++之父）提到，抽象类的设计初衷是为了提供一种“契约式编程”的方式，确保派生类遵循基类的规范。
此外，《Effective C++》中也强调了抽象类的重要性，认为它是实现代码可维护性和扩展性的关键之一。
总结
今天我们学习了C++中的纯虚函数和抽象类。以下是几个关键点：
- 纯虚函数是用来定义接口的，必须由派生类实现。
- 抽象类包含至少一个纯虚函数，不能直接实例化。
- 它们的核心思想是“契约式编程”，确保代码的结构化和可维护性。
希望这篇文章能帮助你更好地理解这两个概念！如果你有任何疑问，欢迎在评论区提问，我们下次讲座再见！
