虚函数、纯虚函数与抽象类（浅论）

小灰灰 2022-05-21 09:47 218阅读 0赞

在面向对象的程序设计中，虚函数，纯虚函数与抽象类一直是工作和求职面试中的重点难点问题。本人在这里对这三者做一个浅显的论述。有不对的地方欢迎各位同行批评指正。

（作者原创，转载请注明出处）。

提起虚函数，就不得不提多态性。多态性是面向对象程序设计的一个重要特征，如果一个语言只支持类而不支持多态，是不能称为面向对象的语言，只能说是基于对象的语言。

那么问题来了，什么是多态？

多态性的英文单词polymorphism来源于希腊词根poly(意为“很多”)和morph(意为“形态”)。顾名思义，多态的意思就是一个事物有多种形态。

在C++程序设计中，多态性是指具有不同功能的函数可以用同一个函数名。这样就可以用同一个函数名调用不同内容的函数。

在面向对象方法中，一般是这样表述多态性的：向不同的对象发送同一个消息，不同的对象在接收时会产生不同的行为（即方法）。

从系统时间的角度来看，多态性分为两类：**静态多态性**和**动态多态性**。

静态多态性有函数重载和运算符重载。静态多态性又称为**编译时的多态性**。在程序编译时，系统就能决定调用的是哪个函数。

动态多态性又称为**运行时的多态性**，动态多态性是在程序运行过程中才动态的确定操作所针对的对象。动态多态性通过虚函数(virtual function)来实现。

开胃菜结束，开始上正餐。

下面讨论虚函数

在类的继承层次结构中，不同层次中可以出现名字相同，参数个数都和类型都相同而功能不同的函数。(但是，在同一个类中，这是绝对不允许的)。编译系统按照同名覆盖的原则决定调用对象。

因此，人们自然而然就想，能否用同一个调用形式，既能调用派生类的函数，又能调用基类的同名函数。

为啥需要虚函数？

虚函数的作用是允许在派生类中重新定义与基类同名的函数，并且可以通过基类指针或引用来访问基类和派生类中的同名函数。

//基类与派生类中有同名函数
    #include<iostream>
    #include<system_error>
    #include<string>
    
    using namespace std;
    
    //定义基类
    class Student
    {
    public:
    	Student(int, string, float);
         virtual void display();
    	~Student();
    
    protected:
    	int num;
    	string name;
    	float score;
    };
    
    Student::Student(int n, string nam, float s)
    	:num(n), name(nam), score(s) 
    {
    //	cout << "基类构造函数被执行！" << endl;
    }
    
     void Student::display()
    {
    	cout << "学号：" << num << endl;
    	cout << "姓名：" << name << endl;
    	cout << "成绩：" << score << endl;
    }
    
    Student::~Student()
    {
    //	cout << "基类的析构函数被执行！" << endl;
    }
    
    //定义派生类
    class Graduate:public Student
    {
    public:
    	Graduate(int, string, float, float);
    	virtual  void display();
    	~Graduate();
    
    private:
    	float salary;
    };
    
    Graduate::Graduate(int n, string nam, float s, float sa)
    	:Student(n, nam, s), salary(sa)
    {
    //	cout << "派生类的构造函数被执行！" << endl;
    }
    
    Graduate::~Graduate()
    {
    //	cout << "派生类的析构函数被执行！" << endl;
    }
    
    void Graduate::display()
    {
    	cout << "学号：" << num << endl;
    	cout << "姓名：" << name << endl;
    	cout << "成绩：" << score << endl;
    	cout << "工资：" << salary << endl;
    }
    
    int main()
    {
    	Student std(2018060130, "James", 98.5);
    	/*std.display();
    	std.~Student();
    
    	cout << endl << endl;*/
    
    	Student * pt = &std;
    //	Student & ptr = std;
    	pt->display();
    //	pt->~Student();
    
    	cout << endl << endl;
    
    	//ptr.display();
    	//ptr.~Student();
    
    //	cout << endl << endl;
    
    	Graduate grd(2018060131, "Robert", 93.5, 3578.45);
    	/*grd.display();
    	grd.~Graduate();
    	cout << endl << endl;*/
    
    	pt = &grd;
    	pt->display();
    	
    	cout << endl << endl;
    
    	//ptr = grd;
    	//ptr.display();
    
    //	cout << endl << endl;
    
    	system("pause");
    	return 0;
    }

说明：本来，基类指针是用来指向基类的对象的，如果用它来指向派生类的对象，则进行指针类型转换，将派生类对象的指针先转换为基类的指针，所以基类指针指向的是派生类对象的基类部分。

在程序修改前，是无法通过基类的指针去调用派生类对象中的成员函数的。

虚函数的出现突破了这一限制，在派生类的基类部分中，派生类的虚函数取代了基类原来的虚函数，因此，在使用基类指针指向派生类对象后，调用虚函数时就调用了派生类的虚函数。

要注意的是，只有用virtual声明了虚函数后才具有以上作用。

如果不声明为虚函数，企图通过基类指针调用派生类的非虚函数是不行的。

重点来了：

当把基类的某个成员函数声明为虚函数之后，允许在其派生类中对该函数重新定义，赋予它新的功能，并且可以通过指向基类的指针指向同一类族中不同类的对象，从而调用其中的同名函数。

由虚函数实现的动态多态性是：同一类族中不同类的对象，对同一函数调用做出不同的响应。

虚函数的使用方法：

（1）在基类用virtual声明成员函数为虚函数，这样就可以在派生类中重新定义此函数，为它赋予新的功能，并能方便地被调用。（在类外定义虚函数时，不能在加virtual）。

（2）在派生类中定义虚函数时，要求函数类型，参数类型，参数个数等全部与基类的虚函数相同。并根据派生类的需要重新定义函数体。

C++规定，当一个成员函数被声明为虚函数之后，其派生类中的同名函数都自动成为虚函数。记住这句话，一旦虚，一直虚。

备注：基于第（2）条的讨论，在派生类中重新声明虚函数时，可以加关键字virtual，也可以不加。但在习惯上一般在每一层声明该虚函数时加上virtual，使程序更加清晰。如果在派生类中没有对基类中的虚函数进行重新定义，则派生类简单的继承其直接基类的虚函数。

（3）定义一个指向基类对象的指针变量，并使它指向同一类族中的某一对象。

（4）通过该指针变量调用此虚函数，此时调用的就是指针变量指向的对象的同名函数。

多说一句：同一层次上的同名函数问题用函数重载来解决。

不同层次上的同名函数问题用虚函数来解决。

另外一点：虚函数的首部是相同的，即函数类型的参数个数相同。

函数重载时函数的首部不同，即参数个数或类型不同。

在使用虚函数时，有两点需要注意：

（1）只能用virtual声明类的成员函数，使它成为虚函数，而不是将类外的普通函数声明为虚函数。因为虚函数的作用是允许在派生类中对基类的虚函数重新定义。显然，它只能用在类的继承层次结构中。

（2）一个成员函数被声明为虚函数之后，在同一类族中的类就不能再定义一个非virtual但与该虚函数具有相同的参数（包括个数和类型）和函数返回值类型的同名函数。

需要注意的是：虚函数是通过虚函数表(virtual function table ,vtable来实现的,它是一个指针数组，存放每个虚函数的入口地址。使用虚函数时候，系统需要一定的空间开销。当一个类带有虚函数时，编译系统会为该类构造一个虚函数表。

下面讨论纯虚函数

**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;

注意：（1）纯虚函数没有函数体；

（2）最后面的“=0”并不表示函数返回值为0，它只是 起形式上的作用，告诉编译系统，这是纯虚函数。

（3）这是一个声明语句，最后应有分号。

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的名字，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。

下面讨论抽象类

抽象类：不定义对象而只作为一种基本类型用作继承的类。

凡是包含纯虚函数的类都是抽象类。

解释：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，为类族提供一个公共接口。

对抽象类总结：

(1) 一个基类如果包含一个或一个以上的纯虚函数，就是抽象基类。抽象基类不能也不必要定义对象。

(2) 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，它可以没有任何物理上的或其它实际意义方面的含义。

(3) 在类的层次结构中，顶层或者是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。

(4) 抽象基类是本类族的公共接口。或者说，从同一个基类派生出的多个类有同一接口。

(5) 区别动态关联和静态关联。

(6) 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，参数个数和参数类型的函数，均为虚函数(不论在派生类中是否声明)，一旦虚，一直虚。但是，同名的虚函数在不同的类中可以有不同的定义。

纯虚函数是在抽象基类中声明的，只是在抽象基类中它才成为纯虚函数，在其派生类中虽然继承了该函数，但除非再次用“=0”把它声明为纯虚函数，否则，它就不是也不能称为纯虚函数。

(7) 使用虚函数提高了程序的扩充性。

虚函数、纯虚函数与抽象类（浅论）

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