纯虚函数有什么作用？如何实现？

八股文_C++面向对象面试题 0 280

参考回答

纯虚函数 是一种特殊的虚函数，它在基类中只定义接口而不提供具体实现，目的是要求派生类必须实现该函数，从而实现多态和接口规范。纯虚函数适用于抽象类的设计，是面向对象编程中多态的重要实现方式。

纯虚函数的作用：

定义接口规范：
- 基类定义抽象的接口，派生类必须实现该接口，从而保证派生类的行为一致性。
实现运行时多态：
- 纯虚函数通过动态绑定实现多态，基类指针或引用可以调用派生类的实现。
设计抽象类：
- 包含纯虚函数的类称为抽象类，抽象类不能实例化，主要用于作为派生类的模板或接口。

纯虚函数的语法与实现：

纯虚函数的定义使用 = 0 语法：

virtual 返回值类型 函数名(参数列表) = 0;

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override { // 实现纯虚函数
        cout << "Drawing a Circle" << endl;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        cout << "Drawing a Rectangle" << endl;
    }
};

int main() {
    Shape* shape;        // 定义基类指针
    Circle circle;
    Rectangle rectangle;

    shape = &circle;
    shape->draw();       // 调用 Circle 的实现

    shape = &rectangle;
    shape->draw();       // 调用 Rectangle 的实现

    return 0;
}

运行结果：

Drawing a Circle  
Drawing a Rectangle

详细讲解与拓展

1. 纯虚函数的定义和实现规则

定义规则：
- 纯虚函数只能在基类中定义，不能提供实现。
- 在派生类中必须重写纯虚函数，否则派生类也会成为抽象类。
实现规则：
- 如果某个派生类没有实现所有的纯虚函数，则它也会是抽象类，不能被实例化。
- 抽象类可以有普通成员函数、普通虚函数和纯虚函数。

2. 纯虚函数的特点

强制子类实现接口：
- 纯虚函数的存在，确保派生类实现父类的特定功能。
抽象类无法实例化：
- 只允许定义抽象类的指针或引用，不能创建其对象。
- 例如：
```
Shape s; // 错误，抽象类无法实例化
Shape* shape; // 正确，可以定义指针
```

3. 纯虚函数与抽象类的关系

抽象类的定义：
包含至少一个纯虚函数的类称为抽象类。
- 抽象类的目的是提供一个通用的接口，具体实现由派生类完成。

示例：

class AbstractClass {
public:
  virtual void pureVirtualFunction() = 0; // 纯虚函数
  void concreteFunction() {
      cout << "Concrete function in abstract class" << endl;
  }
};

4. 纯虚函数的扩展：部分实现

尽管纯虚函数不能直接在类中实现，但可以在基类中提供默认实现。
– 示例：

“`cpp
class Base {
public:
virtual void func() = 0; // 纯虚函数
};

void Base::func() { // 提供默认实现
cout << "Default implementation of func" << endl;
}

class Derived : public Base {
public:
void func() override {
Base::func(); // 调用基类实现
cout << "Derived implementation of func" << endl;
}
};

int main() {
Derived d;
d.func();
return 0;
}

“`
**输出：**
“`
Default implementation of func
Derived implementation of func
“`

5. 纯虚函数与多继承

纯虚函数在多继承中同样有效，可以用来实现多接口继承。
– 示例：

“`cpp
class Interface1 {
public:
virtual void func1() = 0;
};

class Interface2 {
public:
virtual void func2() = 0;
};

class Implementation : public Interface1, public Interface2 {
public:
void func1() override { cout << "Implementing func1" << endl; }
void func2() override { cout << "Implementing func2" << endl; }
};

int main() {
Implementation impl;
impl.func1();
impl.func2();
return 0;
}

“`
**输出：**
“`
Implementing func1
Implementing func2
“`

纯虚函数的应用场景

接口类设计
- 使用纯虚函数设计接口类，定义规范供派生类实现。
- 例如，图形库中 Shape 类定义了绘图接口，Circle 和 Rectangle 实现具体绘制逻辑。
多态实现
- 通过基类的纯虚函数实现动态多态，方便在运行时扩展行为。
框架开发
- 在框架开发中，抽象类和纯虚函数用于定义扩展点，具体实现由用户提供。
设计模式
- 纯虚函数是许多设计模式（如工厂模式、策略模式、模板方法模式）的基础。

总结

纯虚函数的作用：
– 定义接口规范，强制子类实现特定行为。
– 支持多态性，动态绑定派生类实现。
– 用于抽象类的设计，无法直接实例化。

纯虚函数的实现：
– 使用 = 0 声明，派生类必须重写。
– 可以在基类中提供默认实现，通过派生类调用。

通过纯虚函数，C++实现了面向对象编程中的多态和接口分离，是构建复杂系统、框架和模块化代码的重要工具。