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C++ 多态性——纯虚函数与抽象类

news 2025/8/19 2:34:42

抽象类是一种特殊的类，它为一个类族提供统一的操作界面。抽象类是为了抽象和设计的目的而建立的。可以说，建立抽象类，就是为了通过它多态地使用其中的成员函数。抽象类处于类层次的上层，一个抽象类自身无法实例化，也就是说我们无法定义一个抽象类的对象，只能提供继承机制，生成抽象类的非抽象派生类，然后再实例化。

1.纯虚函数

在基类中声明和不同的派生类中具有相同原型的函数，并将它们声明为虚函数，此时，派生类中和基类中名字相同的函数就会被覆盖掉，然后通过基类的指针调用这些函数时，派生类的相应函数将被实际调用。然而，基类并不知道该如何处理通过基类的指针调用来的派生类函数，无法给出有意义的实现。对于这种在基类中无法实现的函数，可以在基类中只说明函数原型来规定整个类族的统一接口形式，而在派生类中再给出这些函数的实现，纯虚函数来实现这一功能。

纯虚函数是一个在基类中声明的虚函数，它在该基类中没有定义具体的操作内容，要求各派生类根据实际需求给出各自的定义。

纯虚函数的声明格式为：

virtual 函数类型 函数名(参数表)=0;

实际上，它与一般虚函数成员的原型在书写格式上的不同就在于后面加了“=0”。

声明为纯虚函数之后，基类中就可以不再给出函数的实现部分。纯虚函数的函数体由派生类给出。

【注意】

（1）基类中仍然允许对纯虚函数给出实现，但即使给出实现，也必须由派生类覆盖，否则无法实例化。例如：

#include<iostream>
using namespace std;class B
{
public:virtual void fun() = 0//纯虚函数在基类中实现{cout << "显示基类B" << endl;}
};class D :public B
{
public:virtual void fun() = 0;
};int main()
{D d;d.fun();return 0;
}

以上代码编译错误，原因是：
在这里插入图片描述
将代码修改之后如下：

class B
{
public:virtual void fun() = 0//派生类对基类中的纯虚函数进行覆盖{cout << "显示基类B" << endl;}
};class D :public B
{
public:virtual void fun(){cout << "显示派生类D" << endl;}
};int main()
{D d;d.fun();return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

（2）在基类中对纯虚函数定义的函数体的调用，必须通过“基类名::函数名（参数表）”的形式。

（3）如果将基类析构函数声明为纯虚函数，必须给出它的实现，因为派生类的析构函数体执行完后需要调用基类的纯虚函数。

class B
{
public:B(){cout << "基类B的构造函数" << endl;}virtual~B() = 0//声明B类的析构函数为纯虚函数并实现{cout << "基类B的析构函数" << endl;}virtual void fun() = 0;//声明fun为纯虚函数
};class D :public B
{
public:D(){cout << "派生类D的构造函数" << endl;}virtual ~D(){cout << "派生类D的析构函数" << endl;}virtual void fun(){cout << "显示派生类D" << endl;}
};int main()
{D d;return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
（4）纯虚函数不同于函数体为空的虚函数：纯虚函数根本就没有函数体，而空的虚函数的函数体为空；纯虚函数所在的类是抽象类，不能直接进行实例化，而函数体为空的虚函数所在的类是可以实例化的。它们共同的特点是都可以派生出新的类，然后在新的类中给出虚函数新的实现，而且这种新的实现具有多态特征。

2.抽象类

带有纯虚函数的类是抽象类。 抽象类的主要作用是通过它为一个类族建立一个公共的接口，使它们能够更有效地发挥多态特性。抽象类声明了一个类族派生类的共同接口，而接口的完整实现，即纯虚函数的函数体，需要派生类自己定义。

抽象类派生出新的类之后，如果派生类给出所有纯虚函数的函数实现，这个派生类就可以自己定义对象，因而不再是抽象类；反之，如果派生类没有给出全部纯虚函数的实现，这时派生类仍然是一个抽象类。

抽象类不能实例化，即不能定义一个抽象类的对象，但是可以定义一个抽象类的指针和引用。通过指针和引用，就可以指向并访问派生类的对象，进而访问派生类的成员，这种访问具有多态特征。

【例】抽象类举例

class A//基类A定义
{
public:virtual void display()const = 0;//声明为纯虚函数};class B :public A//公有派生类B定义
{
public:virtual void display()const//覆盖基类的虚函数{cout << "显示类B" << endl;}
};class C :public B//公有派生类C定义
{
public:virtual void display()const//覆盖基类的虚函数{cout << "显示类C" << endl;}
};void fun(A* p)//参数为指向基类A的对象的指针
{p->display();//"对象指针->成员名"
}int main()
{B b;//定义直接基类为A类的派生类B的对象C c;//定义直接基类为B类的派生类C的对象fun(&b);//用直接基类为A类的派生类B对象的指针调用fun函数fun(&c);//用直接基类为B类的派生类C对象的指针调用fun函数return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
分析：
程序中类A，B，C属于同一个类族，抽象类A通过纯虚函数为整个类族提供了通用的外部接口语义。通过公有派生而来的子类B，C给出了纯虚函数的具体实现，因此子类B，C是非抽象类，可以定义派生类的对象，同时根据赋值兼容规则，抽象类A的指针也可以指向任何一个派生类的对象。在fun函数中通过基类A的指针p就可以访问到p指向的派生类B，C的对象成员。这样就实现了对同一类族中的对象进行统一处理的多态。