C++ 纯虚函数
什么是纯虚函数？
在C++面向对象编程中，纯虚函数（Pure Virtual Function）是一种特殊的虚函数，它在基类中只有声明而没有定义，要求派生类必须提供该函数的实现。纯虚函数使用特殊语法声明，在函数声明的结尾添加 = 0。
cpp
virtual 返回类型 函数名(参数列表) = 0;
备注
当一个类包含纯虚函数时，这个类被称为抽象类（Abstract Class）。抽象类不能被实例化，只能作为其他类的基类。
纯虚函数的基本语法
下面是一个包含纯虚函数的简单示例：
cpp
class Shape {
public:
// 纯虚函数 - 计算面积
virtual double calculateArea() = 0;
// 纯虚函数 - 计算周长
virtual double calculatePerimeter() = 0;
// 普通虚函数
virtual void display() {
std::cout << "这是一个形状" << std::endl;
}
// 普通析构函数声明为虚函数是个好习惯
virtual ~Shape() {}
};
纯虚函数与抽象类
抽象类的特性
- 包含至少一个纯虚函数的类是抽象类
- 抽象类不能被实例化（不能创建对象）
- 可以创建指向抽象类的指针和引用
- 派生类必须实现所有纯虚函数，否则派生类也是抽象类
cpp
// 错误：不能创建抽象类的对象
Shape shape; // 编译错误
// 正确：可以创建抽象类的指针
Shape* shapePtr; // 有效
实现抽象类的派生类
让我们创建两个从Shape派生的具体类：
cpp
class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
// 实现纯虚函数
double calculateArea() override {
return 3.14159 * radius * radius;
}
double calculatePerimeter() override {
return 2 * 3.14159 * radius;
}
// 可以选择重写普通虚函数
void display() override {
std::cout << "这是一个半径为 " << radius << " 的圆" << std::endl;
}
};
class Rectangle : public Shape {
private:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double calculateArea() override {
return width * height;
}
double calculatePerimeter() override {
return 2 * (width + height);
}
void display() override {
std::cout << "这是一个 " << width << "x" << height << " 的矩形" << std::endl;
}
};
完整示例
下面是一个完整的示例程序，展示纯虚函数的使用：
cpp
#include <iostream>
#include <vector>
class Shape {
public:
virtual double calculateArea() = 0;
virtual double calculatePerimeter() = 0;
virtual void display() {
std::cout << "这是一个形状" << std::endl;
}
virtual ~Shape() {}
};
class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
double calculateArea() override {
return 3.14159 * radius * radius;
}
double calculatePerimeter() override {
return 2 * 3.14159 * radius;
}
void display() override {
std::cout << "这是一个半径为 " << radius << " 的圆" << std::endl;
}
};
class Rectangle : public Shape {
private:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double calculateArea() override {
return width * height;
}
double calculatePerimeter() override {
return 2 * (width + height);
}
void display() override {
std::cout << "这是一个 " << width << "x" << height << " 的矩形" << std::endl;
}
};
int main() {
// 创建派生类对象
Circle circle(5.0);
Rectangle rectangle(4.0, 6.0);
// 使用基类指针数组存储不同类型的对象
std::vector<Shape*> shapes;
shapes.push_back(&circle);
shapes.push_back(&rectangle);
// 通过基类指针调用虚函数（多态性）
for (const auto& shape : shapes) {
shape->display();
std::cout << "面积: " << shape->calculateArea() << std::endl;
std::cout << "周长: " << shape->calculatePerimeter() << std::endl;
std::cout << "------------------------" << std::endl;
}
return 0;
}
输出结果：
这是一个半径为 5 的圆
面积: 78.5397
周长: 31.4159
------------------------
这是一个 4x6 的矩形
面积: 24
周长: 20
------------------------
纯虚函数的特点
1. 接口定义功能
纯虚函数定义了一个接口，指定了派生类必须实现的功能，但不提供实现细节。
2. 强制实现
纯虚函数强制派生类必须提供实现，否则派生类也会变成抽象类。
3. 多态性
通过基类指针或引用调用纯虚函数时，会动态绑定到派生类的实现，实现多态行为。
4. 与普通虚函数的区别
- 纯虚函数在基类中没有定义（只有声明，使用
= 0） - 普通虚函数在基类中有默认实现
- 包含纯虚函数的类是抽象类，不能实例化
为什么需要纯虚函数？
- 接口定义：定义一组必须实现的函数接口
- 代码复用：抽象出公共接口，派生类提供特定实现
- 确保实现：强制派生类提供必要的功能实现
- 类型安全：在编译时检查是否实现了所有必要的函数
纯虚函数的高级特性
纯虚函数可以有实现
尽管不常见，但C++允许为纯虚函数提供定义（实现）。这种情况下，派生类仍然需要重写该函数，但可以通过作用域解析运算符调用基类的实现：
cpp
class Base {
public:
virtual void pureFunction() = 0; // 纯虚函数
};
// 为纯虚函数提供实现
void Base::pureFunction() {
std::cout << "Base类中纯虚函数的实现" << std::endl;
}
class Derived : public Base {
public:
void pureFunction() override {
// 可以调用基类的纯虚函数实现
Base::pureFunction();
std::cout << "Derived类中的额外实现" << std::endl;
}
};
抽象类与接口
在C++中，接口通常通过只包含纯虚函数的抽象类来实现。这种设计模式在面向对象编程中非常常见，特别是在需要定义对象行为标准的场景中。
纯虚函数的实际应用场景
1. 插件系统设计
纯虚函数可以用于定义插件接口，使第三方开发者能够实现插件而无需了解主程序的内部工作原理。
cpp
// 插件接口
class Plugin {
public:
virtual void initialize() = 0;
virtual void execute() = 0;
virtual void cleanup() = 0;
virtual ~Plugin() {}
};
// 主程序加载并使用插件
class Application {
private:
std::vector<Plugin*> plugins;
public:
void loadPlugin(Plugin* plugin) {
plugin->initialize();
plugins.push_back(plugin);
}
void runPlugins() {
for (auto plugin : plugins) {
plugin->execute();
}
}
~Application() {
for (auto plugin : plugins) {
plugin->cleanup();
}
}
};
2. 图形用户界面框架
GUI框架通常使用纯虚函数来定义窗口部件的接口：
cpp
class Widget {
public:
virtual void draw() = 0;
virtual void handleEvent(Event& event) = 0;
virtual ~Widget() {}
};
class Button : public Widget {
public:
void draw() override {
// 绘制按钮
}
void handleEvent(Event& event) override {
// 处理按钮事件
}
};
3. 设计模式实现
许多设计模式，如工厂模式、策略模式、观察者模式等，都广泛使用纯虚函数：
cpp
// 策略模式示例
class SortStrategy {
public:
virtual void sort(std::vector<int>& data) = 0;
virtual ~SortStrategy() {}
};
class QuickSort : public SortStrategy {
public:
void sort(std::vector<int>& data) override {
std::cout << "使用快速排序算法" << std::endl;
// 实现快速排序
}
};
class MergeSort : public SortStrategy {
public:
void sort(std::vector<int>& data) override {
std::cout << "使用归并排序算法" << std::endl;
// 实现归并排序
}
};
class Sorter {
private:
SortStrategy* strategy;
public:
Sorter(SortStrategy* s) : strategy(s) {}
void setStrategy(SortStrategy* s) {
strategy = s;
}
void sortData(std::vector<int>& data) {
strategy->sort(data);
}
};
纯虚函数与虚析构函数
当使用多态时，基类应该始终包含一个虚析构函数，即使它不是纯虚的：
cpp
class Base {
public:
virtual void pureFunc() = 0;
// 虚析构函数确保正确释放派生类资源
virtual ~Base() {
std::cout << "Base析构函数" << std::endl;
}
};
注意
如果基类没有虚析构函数，通过基类指针删除派生类对象可能导致派生类析构函数不被调用，造成资源泄漏。
总结
纯虚函数是C++面向对象编程中的强大工具，它们：
- 通过
= 0语法定义，声明一个没有实现的函数 - 使包含它们的类成为抽象类，不能被实例化
- 强制派生类提供实现，否则派生类也是抽象类
- 用于定义接口和实现多态行为
- 适用于需要统一接口但允许不同实现的场景
纯虚函数是实现"接口继承"的主要机制，使C++支持基于接口的编程范式，提高代码的可扩展性、可维护性和灵活性。
练习
- 创建一个
Vehicle抽象类，包含start()、stop()和getMaxSpeed()纯虚函数，然后实现Car和Bicycle两个派生类。 - 实现一个简单的图形编辑器，使用抽象类
Shape定义接口，然后创建Circle、Rectangle和Triangle派生类。 - 设计一个简单的游戏角色系统，使用抽象类定义角色行为，并实现不同类型的角色。
附加资源
- 《C++ Primer》- 学习更多关于C++虚函数和多态的内容
- 《Effective C++》Item 34: Differentiate between inheritance of interface and inheritance of implementation
- C++标准文档中关于抽象类和纯虚函数的部分
掌握纯虚函数是迈向高级C++面向对象编程的重要一步，它将帮助你设计更灵活、更强大的软件系统。