深入解析C++编程中的纯虚函数和抽象类

C++纯虚函数详解

有时在基类中将某一成员函数定为虚函数，并不是基类本身的要求，而是考虑到派生类的需要，在基类中预留了一个函数名，具体功能留给派生类根据需要去定义。

纯虚函数是在声明虚函数时被“初始化”为0的函数。声明纯虚函数的一般形式是

  virtual 函数类型 函数名 (参数表列) = 0;

关于纯虚函数需要注意的几点：

• 纯虚函数没有函数体；
• 最后面的“=0”并不表示函数返回值为0，它只起形式上的作用，告诉编译系统“这是纯虚函数”;
• 这是一个声明语句，最后应有分号。

纯虚函数只有函数的名字而不具备函数的功能，不能被调用。它只是通知编译系统:“在这里声明一个虚函数，留待派生类中定义”。在派生类中对此函数提供定义后，它才能具备函数的功能，可被调用。

纯虚函数的作用是在基类中为其派生类保留一个函数的名字，以便派生类根据需要对它进行定义。

如果在基类中没有保留函数名字，则无法实现多态性。如果在一个类中声明了纯虚函数，而在其派生类中没有对该函数定义，则该虚函数在派生类中仍然为纯虚函数。

再谈C++抽象类

如果声明了一个类，一般可以用它定义对象。但是在面向对象程序设计中，往往有一些类，它们不用来生成对象。定义这些类的惟一目的是用它作为基类去建立派生类。它们作为一种基本类型提供给用户，用户在这个基础上根据自己的需要定义出功能各异的派生类。用这些派生类去建立对象。

打个比方，汽车制造厂往往向客户提供卡车的底盘（包括发动机、传动部分、车轮等），组装厂可以把它组装成货车、公共汽车、工程车或客车等不同功能的车辆。底盘本身不是车辆，要经过加工才能成为车辆，但它是车辆的基本组成部分。它相当于基类。在现代化的生产中，大多采用专业化的生产方式，充分利用专业化工厂生产的部件，加工集成为新品种的产品。生产公共汽车的厂家决不会从制造发动机到生产轮胎、制造车厢都由本厂完成。其实，不同品牌的电脑里面的基本部件是一样的或相似的。这种观念对软件开发是十分重要的。一个优秀的软件工作者在开发一个大的软件时，决不会从头到尾都由自己编写程序代码，他会充分利用已有资源(例如类库)作为自己工作的基础。

这种不用来定义对象而只作为一种基本类型用作继承的类，称为抽象类(abstract class )，由于它常用作基类，通常称为抽象基类(abstract base class )。凡是包含纯虚函数的类都是抽象类。因为纯虚函数是不能被调用的，包含纯虚函数的类是无法建立对象的。

抽象类的作用是作为一个类族的共同基类，或者说，为一个类族提供一个公共接口。一个类层次结构中当然也可不包含任何抽象类，每一层次的类都是实际可用的，可以用来建立对象的。

但是，许多好的面向对象的系统，其层次结构的顶部是一个抽象类，甚至顶部有好几层都是抽象类。

如果在抽象类所派生出的新类中对基类的所有纯虚函数进行了定义，那么这些函数就被赋予了功能，可以被调用。这个派生类就不是抽象类，而是可以用来定义对象的具体类(concrete class )。

如果在派生类中没有对所有纯虚函数进行定义，则此派生类仍然是抽象类，不能用来定义对象。虽然抽象类不能定义对象(或者说抽象类不能实例化)，但是可以定义指向抽象类数据的指针变量。当派生类成为具体类之后，就可以用这种指针指向派生类对象，然后通过该指针调用虚函数，实现多态性的操作。

几个关于C++纯虚函数与抽象类的实例
下面是一个完整的程序，为了便于阅读，分段插入了一些文字说明。程序如下：

第(1)部分

#include <iostream>
using namespace std;
//声明抽象基类Shape
class Shape
{
public:
  virtual float area( )const {return 0.0;} //虚函数
  virtual float volume()const {return 0.0;} //虚函数
  virtual void shapeName()const =0; //纯虚函数
};

Shape类有3个成员函数，没有数据成员。3个成员函数都声明为虚函数，其中shapeName声明为纯虚函数，因此Shape是一个抽象基类。shapeName函数的作用是输出具体的形状（如点、圆、圆柱体）的名字，这个信息是与相应的派生类密切相关的，显然这不应当在基类中定义，而应在派生类中定义。所以把它声明为纯虚函数。Shape虽然是抽象基类，但是也可以包括某些成员的定义部分。类中两个函数area(面积)和volume (体积)包括函数体，使其返回值为0(因为可以认为点的面积和体积都为0)。由于考虑到在Point类中不再对area和volume函数重新定义，因此没有把area和volume函数也声明为纯虚函数。在Point类中继承了Shape类的area和volume函数。这3个函数在各派生类中都要用到。

第(2)部分

//声明Point类
class Point:public Shape//Point是Shape的公用派生类
{
public:
  Point(float=0,float=0);
  void setPoint(float ,float );
  float getX( )const {return x;}
  float getY( )const {return y;}
  virtual void shapeName( )const {cout<<"Point:";}//对虚函数进行再定义
  friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &);
protected:
  float x,y;
};
//定义Point类成员函数
Point::Point(float a,float b)
{x=a;y=b;}
void Point::setPoint(float a,float b)
{x=a;y=b;}
ostream & operator <<(ostream &output,const Point &p)
{
  output<<"["<<p.x<<","<<p.y<<"]";
  return output;
}

Point从Shape继承了3个成员函数，由于“点”是没有面积和体积的，因此不必重新定义area和volume。虽然在Point类中用不到这两个函数，但是Point类仍然从Shape类继承了这两个函数，以便其派生类继承它们。shapeName函数在Shape类中是纯虚函数， 在Point类中要进行定义。Point类还有自己的成员函数( setPoint, getX, getY)和数据成 员(x和y)。

第(3)部分

//声明Circle类
class Circle:public Point
{
public:
  Circle(float x=0,float y=0,float r=0);
  void setRadius(float );
  float getRadius( )const;
  virtual float area( )const;
  virtual void shapeName( )const {cout<<"Circle:";}//对虚函数进行再定义
  friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &);
protected:
  float radius;
};
//声明Circle类成员函数
Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){}
void Circle::setRadius(float r):radius(r){}
float Circle::getRadius( )const {return radius;}
float Circle::area( )const {return 3.14159*radius*radius;}
ostream &operator <<(ostream &output,const Circle &c)
{
  output<<"["<<c.x<<","<<c.y<<"], r="<<c.radius;
  return output;
}

在Circle类中要重新定义area函数，因为需要指定求圆面积的公式。由于圆没有体积，因此不必重新定义volume函数，而是从Point类继承volume函数。shapeName函数是虚函数，需要重新定义，赋予新的内容（如果不重新定义，就会继承Point类中的 shapeName函数）。此外，Circle类还有自己新增加的成员函数(setRadius, getRadius)和数据成员(radius)。

第(4)部分

//声明Cylinder类
class Cylinder:public Circle
{
public:
  Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0);
  void setHeight(float );
  virtual float area( )const;
  virtual float volume( )const;
  virtual void shapeName( )const {
   cout<<"Cylinder:";
  }//对虚函数进行再定义
  friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&);
protected:
  float height;
};
//定义Cylinder类成员函数
Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){}
void Cylinder::setHeight(float h){height=h;}
float Cylinder::area( )const{
  return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;
}
float Cylinder::volume( )const{
  return Circle::area( )*height;
}
ostream &operator <<(ostream &output,const Cylinder& cy){
  output<<"["<<cy.x<<","<<cy.y<<"], r="<<cy.radius<<", h="<<cy.height;
  return output;
}

Cylinder类是从Circle类派生的。由于圆柱体有表面积和体积，所以要对area和 volume函数重新定义。虚函数shapeName也需要重新定义。此外，Cylinder类还有自已 的成员函数setHeight和数据成员radius。

第(5)部分

//main函数
int main( )
{
  Point point(3.2,4.5); //建立Point类对象point
  Circle circle(2.4,1.2,5.6);
  //建立Circle类对象circle
  Cylinder cylinder(3.5,6.4,5.2,10.5);
  //建立Cylinder类对象cylinder
  point.shapeName();
  //静态关联
  cout<<point<<endl;
  circle.shapeName(); //静态关联
  cout<<circle<<endl;
  cylinder.shapeName(); //静态关联
  cout<<cylinder<<endl<<endl;
  Shape *pt; //定义基类指针
  pt=&point; //指针指向Point类对象
  pt->shapeName( ); //动态关联
  cout<<"x="<<point.getX( )<<",y="<<point.getY( )<<"\narea="<<pt->area( )
   <<"\nvolume="<<pt->volume()<<"\n\n";
  pt=&circle; //指针指向Circle类对象
  pt->shapeName( ); //动态关联
  cout<<"x="<<circle.getX( )<<",y="<<circle.getY( )<<"\narea="<<pt->area( )
   <<"\nvolume="<<pt->volume( )<<"\n\n";
  pt=&cylinder; //指针指向Cylinder类对象
  pt->shapeName( ); //动态关联
  cout<<"x="<<cylinder.getX( )<<",y="<<cylinder.getY( )<<"\narea="<<pt->area( )
   <<"\nvolume="<<pt->volume( )<<"\n\n";
  return 0;
}

在主函数中调用有关函数并输出结果。先分别定义了 Point类对象point，Circle类对象circle和Cylinder类对象cylinder。然后分别通过对象名point, circle和cylinder调用 了shapeNanme函数，这是属于静态关联，在编译阶段就能确定应调用哪一个类的 shapeName函数。同时用重载的运箅符“<<”来输出各对象的信息，可以验证对象初始化是否正确。

再定义一个指向基类Shape对象的指针变量pt，使它先后指向3个派生类对象 point， Circle和cylinder，然后通过指针调用各函数，如 pt->shapeName( )，pt ->area()， pt->volume( )。这时是通过动态关联分别确定应该调用哪个函数。分别输出不同类对象的信息。

程序运行结果如下：

Point:[3.2,4.5](Point类对象point的数据:点的坐标)
Circle:[2.4,1.2], r=5.6 (Circle类对象circle的数据:圆心和半径)
Cylinder:[3.5,6.4], r=5.5, h=10.5 (Cylinder类对象cylinder的数据： 圆心、半径和高)

Point:x=3.2,y=4.5 (输出Point类对象point的数据:点的坐标)
area=0 (点的面积)
volume=0 (点的体积)

Circle:x=2.4,y=1.2 (输出Circle类对象circle的数据:圆心坐标)
area=98.5203 (圆的面积)
volume=0 (圆的体积)
Cylinder:x=3.5,y=6.4 (输出Cylinder类对象cylinder的数据:圆心坐标)
area=512.595 (圆的面积)
volume=891.96 (圆柱的体积)

从本例可以进一步明确以下结论：
一个基类如果包含一个或一个以上纯虚函数，就是抽象基类。抽象基类不能也不必要定义对象。
抽象基类与普通基类不同，它一般并不是现实存在的对象的抽象（例如圆形(Circle)就是千千万万个实际的圆的抽象），它可以没有任何物理上的或其他实际意义方面的含义。
在类的层次结构中，顶层或最上面的几层可以是抽象基类。抽象基类体现了本类族中各类的共性，把各类中共有的成员函数集中在抽象基类中声明。
抽象基类是本类族的公共接口。或者说，从同一基类派生出的多个类有同一接口。
区别静态关联和动态关联。如果是通过对象名调用虚函数（如point.shapeName()），在编译阶段就能确定调用的是哪一个类的虚函数，所以属于静态关联。 如果是通过基类指针调用虚函数（如pt ->shapeName()），在编译阶段无法从语句本身确定调用哪一个类的虚函数，只有在运行时，pt指向某一类对象后，才能确定调用的是哪 一个类的虚函数，故为动态关联。
如果在基类声明了虚函数，则在派生类中凡是与该函数有相同的函数名、函数类型、参数个数和类型的函数，均为虚函数(不论在派生类中是否用virtual声明)。
使用虚函数提高了程序的可扩充性。把类的声明与类的使用分离。这对于设计类库的软件开发商来说尤为重要。

开发商设计了各种各样的类，但不向用户提供源代码，用户可以不知道类是怎样声明的，但是可以使用这些类来派生出自己的类。利用虚函数和多态性，程序员的注意力集中在处理普遍性，而让执行环境处理特殊性。

多态性把操作的细节留给类的设计者(他们多为专业人员)去完成，而让程序人员(类的使用者)只需要做一些宏观性的工作，告诉系统做什么，而不必考虑怎么做，极大地简化了应用程序的编码工作，大大减轻了程序员的负担，也降低了学习和使用C++编程的难度，使更多的人能更快地进入C++程序设计的大门。