C++純虛函數詳解

有時在基類中將某一成員函數定為虛函數，并不是基類本身的要求，而是考慮到派生類的需要，在基類中預留了一個函數名，具體功能留給派生類根據需要去定義。

純虛函數是在聲明虛函數時被“初始化”為0的函數。聲明純虛函數的一般形式是

  virtual 函數類型 函數名 (參數表列) = 0;

關于純虛函數需要注意的幾點：

• 純虛函數沒有函數體；
• 最后面的“=0”并不表示函數返回值為0，它只起形式上的作用，告訴編譯系統“這是純虛函數”;
• 這是一個聲明語句，最后應有分號。

純虛函數只有函數的名字而不具備函數的功能，不能被調用。它只是通知編譯系統:“在這里聲明一個虛函數，留待派生類中定義”。在派生類中對此函數提供定義后，它才能具備函數的功能，可被調用。

純虛函數的作用是在基類中為其派生類保留一個函數的名字，以便派生類根據需要對它進行定義。

如果在基類中沒有保留函數名字，則無法實現多態性。如果在一個類中聲明了純虛函數，而在其派生類中沒有對該函數定義，則該虛函數在派生類中仍然為純虛函數。

再談C++抽象類

如果聲明了一個類，一般可以用它定義對象。但是在面向對象程序設計中，往往有一些類，它們不用來生成對象。定義這些類的惟一目的是用它作為基類去建立派生類。它們作為一種基本類型提供給用戶，用戶在這個基礎上根據自己的需要定義出功能各異的派生類。用這些派生類去建立對象。

打個比方，汽車制造廠往往向客戶提供卡車的底盤（包括發動機、傳動部分、車輪等），組裝廠可以把它組裝成貨車、公共汽車、工程車或客車等不同功能的車輛。底盤本身不是車輛，要經過加工才能成為車輛，但它是車輛的基本組成部分。它相當于基類。在現代化的生產中，大多采用專業化的生產方式，充分利用專業化工廠生產的部件，加工集成為新品種的產品。生產公共汽車的廠家決不會從制造發動機到生產輪胎、制造車廂都由本廠完成。其實，不同品牌的電腦里面的基本部件是一樣的或相似的。這種觀念對軟件開發是十分重要的。一個優秀的軟件工作者在開發一個大的軟件時，決不會從頭到尾都由自己編寫程序代碼，他會充分利用已有資源(例如類庫)作為自己工作的基礎。

這種不用來定義對象而只作為一種基本類型用作繼承的類，稱為抽象類(abstract class )，由于它常用作基類，通常稱為抽象基類(abstract base class )。凡是包含純虛函數的類都是抽象類。因為純虛函數是不能被調用的，包含純虛函數的類是無法建立對象的。

抽象類的作用是作為一個類族的共同基類，或者說，為一個類族提供一個公共接口。一個類層次結構中當然也可不包含任何抽象類，每一層次的類都是實際可用的，可以用來建立對象的。

但是，許多好的面向對象的系統，其層次結構的頂部是一個抽象類，甚至頂部有好幾層都是抽象類。

如果在抽象類所派生出的新類中對基類的所有純虛函數進行了定義，那么這些函數就被賦予了功能，可以被調用。這個派生類就不是抽象類，而是可以用來定義對象的具體類(concrete class )。

如果在派生類中沒有對所有純虛函數進行定義，則此派生類仍然是抽象類，不能用來定義對象。雖然抽象類不能定義對象(或者說抽象類不能實例化)，但是可以定義指向抽象類數據的指針變量。當派生類成為具體類之后，就可以用這種指針指向派生類對象，然后通過該指針調用虛函數，實現多態性的操作。

幾個關于C++純虛函數與抽象類的實例
下面是一個完整的程序，為了便于閱讀，分段插入了一些文字說明。程序如下：

第(1)部分

#include <iostream>using namespace std;//聲明抽象基類Shapeclass Shape{public:  virtual float area( )const {return 0.0;} //虛函數  virtual float volume()const {return 0.0;} //虛函數  virtual void shapeName()const =0; //純虛函數};

Shape類有3個成員函數，沒有數據成員。3個成員函數都聲明為虛函數，其中shapeName聲明為純虛函數，因此Shape是一個抽象基類。shapeName函數的作用是輸出具體的形狀（如點、圓、圓柱體）的名字，這個信息是與相應的派生類密切相關的，顯然這不應當在基類中定義，而應在派生類中定義。所以把它聲明為純虛函數。Shape雖然是抽象基類，但是也可以包括某些成員的定義部分。類中兩個函數area(面積)和volume (體積)包括函數體，使其返回值為0(因為可以認為點的面積和體積都為0)。由于考慮到在Point類中不再對area和volume函數重新定義，因此沒有把area和volume函數也聲明為純虛函數。在Point類中繼承了Shape類的area和volume函數。這3個函數在各派生類中都要用到。

第(2)部分

//聲明Point類class Point:public Shape//Point是Shape的公用派生類{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:";}//對虛函數進行再定義  friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &);protected:  float x,y;};//定義Point類成員函數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從Shape繼承了3個成員函數，由于“點”是沒有面積和體積的，因此不必重新定義area和volume。雖然在Point類中用不到這兩個函數，但是Point類仍然從Shape類繼承了這兩個函數，以便其派生類繼承它們。shapeName函數在Shape類中是純虛函數， 在Point類中要進行定義。Point類還有自己的成員函數( setPoint, getX, getY)和數據成 員(x和y)。

第(3)部分

//聲明Circle類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:";}//對虛函數進行再定義  friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &);protected:  float radius;};//聲明Circle類成員函數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類中要重新定義area函數，因為需要指定求圓面積的公式。由于圓沒有體積，因此不必重新定義volume函數，而是從Point類繼承volume函數。shapeName函數是虛函數，需要重新定義，賦予新的內容（如果不重新定義，就會繼承Point類中的 shapeName函數）。此外，Circle類還有自己新增加的成員函數(setRadius, getRadius)和數據成員(radius)。

第(4)部分

//聲明Cylinder類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:";  }//對虛函數進行再定義  friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&);protected:  float height;};//定義Cylinder類成員函數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類是從Circle類派生的。由于圓柱體有表面積和體積，所以要對area和 volume函數重新定義。虛函數shapeName也需要重新定義。此外，Cylinder類還有自已 的成員函數setHeight和數據成員radius。

第(5)部分

//main函數int main( ){  Point point(3.2,4.5); //建立Point類對象point  Circle circle(2.4,1.2,5.6);  //建立Circle類對象circle  Cylinder cylinder(3.5,6.4,5.2,10.5);  //建立Cylinder類對象cylinder  point.shapeName();  //靜態關聯  cout<<point<<endl;  circle.shapeName(); //靜態關聯  cout<<circle<<endl;  cylinder.shapeName(); //靜態關聯  cout<<cylinder<<endl<<endl;  Shape *pt; //定義基類指針  pt=&point; //指針指向Point類對象  pt->shapeName( ); //動態關聯  cout<<"x="<<point.getX( )<<",y="<<point.getY( )<<"/narea="<<pt->area( )   <<"/nvolume="<<pt->volume()<<"/n/n";  pt=&circle; //指針指向Circle類對象  pt->shapeName( ); //動態關聯  cout<<"x="<<circle.getX( )<<",y="<<circle.getY( )<<"/narea="<<pt->area( )   <<"/nvolume="<<pt->volume( )<<"/n/n";  pt=&cylinder; //指針指向Cylinder類對象  pt->shapeName( ); //動態關聯  cout<<"x="<<cylinder.getX( )<<",y="<<cylinder.getY( )<<"/narea="<<pt->area( )   <<"/nvolume="<<pt->volume( )<<"/n/n";  return 0;}

在主函數中調用有關函數并輸出結果。先分別定義了 Point類對象point，Circle類對象circle和Cylinder類對象cylinder。然后分別通過對象名point, circle和cylinder調用 了shapeNanme函數，這是屬于靜態關聯，在編譯階段就能確定應調用哪一個類的 shapeName函數。同時用重載的運箅符“<<”來輸出各對象的信息，可以驗證對象初始化是否正確。

再定義一個指向基類Shape對象的指針變量pt，使它先后指向3個派生類對象 point， Circle和cylinder，然后通過指針調用各函數，如 pt->shapeName( )，pt ->area()， pt->volume( )。這時是通過動態關聯分別確定應該調用哪個函數。分別輸出不同類對象的信息。

程序運行結果如下：

Point:[3.2,4.5](Point類對象point的數據:點的坐標)Circle:[2.4,1.2], r=5.6 (Circle類對象circle的數據:圓心和半徑)Cylinder:[3.5,6.4], r=5.5, h=10.5 (Cylinder類對象cylinder的數據： 圓心、半徑和高)Point:x=3.2,y=4.5 (輸出Point類對象point的數據:點的坐標)area=0 (點的面積)volume=0 (點的體積)Circle:x=2.4,y=1.2 (輸出Circle類對象circle的數據:圓心坐標)area=98.5203 (圓的面積)volume=0 (圓的體積)Cylinder:x=3.5,y=6.4 (輸出Cylinder類對象cylinder的數據:圓心坐標)area=512.595 (圓的面積)volume=891.96 (圓柱的體積)

從本例可以進一步明確以下結論：
一個基類如果包含一個或一個以上純虛函數，就是抽象基類。抽象基類不能也不必要定義對象。
抽象基類與普通基類不同，它一般并不是現實存在的對象的抽象（例如圓形(Circle)就是千千萬萬個實際的圓的抽象），它可以沒有任何物理上的或其他實際意義方面的含義。
在類的層次結構中，頂層或最上面的幾層可以是抽象基類。抽象基類體現了本類族中各類的共性，把各類中共有的成員函數集中在抽象基類中聲明。
抽象基類是本類族的公共接口?；蛘哒f，從同一基類派生出的多個類有同一接口。
區別靜態關聯和動態關聯。如果是通過對象名調用虛函數（如point.shapeName()），在編譯階段就能確定調用的是哪一個類的虛函數，所以屬于靜態關聯。 如果是通過基類指針調用虛函數（如pt ->shapeName()），在編譯階段無法從語句本身確定調用哪一個類的虛函數，只有在運行時，pt指向某一類對象后，才能確定調用的是哪 一個類的虛函數，故為動態關聯。
如果在基類聲明了虛函數，則在派生類中凡是與該函數有相同的函數名、函數類型、參數個數和類型的函數，均為虛函數(不論在派生類中是否用virtual聲明)。
使用虛函數提高了程序的可擴充性。把類的聲明與類的使用分離。這對于設計類庫的軟件開發商來說尤為重要。

開發商設計了各種各樣的類，但不向用戶提供源代碼，用戶可以不知道類是怎樣聲明的，但是可以使用這些類來派生出自己的類。利用虛函數和多態性，程序員的注意力集中在處理普遍性，而讓執行環境處理特殊性。

多態性把操作的細節留給類的設計者(他們多為專業人員)去完成，而讓程序人員(類的使用者)只需要做一些宏觀性的工作，告訴系統做什么，而不必考慮怎么做，極大地簡化了應用程序的編碼工作，大大減輕了程序員的負擔，也降低了學習和使用C++編程的難度，使更多的人能更快地進入C++程序設計的大門。