详解C++纯虚函数与抽象类

    1.虚函数

    1.1虚函数简介

    虚函数可以毫不夸张的说是C++最重要的特性之一,我们先来看一看虚函数的概念。

    在基类的定义中,定义虚函数的一般形式为:

    
    virtual 函数返回值类型 虚函数名(形参表)
    {
     函数体
    }

    为什么说虚函数是C++最重要的特性之一呢,因为虚函数承载着C++中动态联编的作用,也即多态,可以让程序在运行时选择合适的成员函数。虚函数必须是类的非静态成员函数(且非构造函数),其访问权限是public。那么:
     (1)为什么类的静态成员函数不能为虚函数?
     如果定义为虚函数,那么它就是动态绑定的,也就是在派生类中可以被覆盖的,这与静态成员函数的定义(在内存中只有一份拷贝,通过类名或对象引用访问静态成员)本身就是相矛盾的。

    (2)为什么构造函数不能为虚函数?
     因为如果构造函数为虚函数的话,它将在执行期间被构造,而执行期则需要对象已经建立,构造函数所完成的工作就是为了建立合适的对象,因此在没有构建好的对象上不可能执行多态(虚函数的目的就在于实现多态性)的工作。在继承体系中,构造的顺序就是从基类到派生类,其目的就在于确保对象能够成功地构建。构造函数同时承担着虚函数表的建立,如果它本身都是虚函数的话,又如何确保虚函数表的成功构建呢?

    1.2虚析构函数

    在类的继承中,基类的析构函数一般都是虚函数。当基类中有虚函数的时候,析构函数也要定义为虚析构函数。如果不定义虚析构函数,当删除一个指向派生类对象的指针时,会调用基类的析构函数,派生类的析构函数未被调用,造成内存泄露。

    虚析构函数工作的方式是:最底层的派生类的析构函数最先被调用,然后各个基类的析构函数被调用。这样,当删除指向派生类的指针时,就会首先调用派生类的析构函数,不会有内存泄露的问题了。

    一般情况下,如果类中没有虚函数,就不用去声明虚析构函数。当且仅当类里包含至少一个虚函数的时候才去声明虚析构函数。只有当一个类被用来作为基类的时候,才有必要将析构函数写成虚函数。

    1.3虚函数的实现——虚函数表

    虚函数是通过一张虚函数表来实现的,简称V-Table。类的虚函数表是一块连续的内存,每个内存单元中记录一个JMP指令的地址。编译器会为每个有虚函数的类创建一个虚函数表,该虚函数表将被该类的所有对象共享,类的每个虚函数成员占据虚函数表中的一行。

    在这个表中,存放的是一个类的虚函数的地址。这张表解决了继承、覆盖的问题,保证使用指向子类对象实体的基类指针或引用,能够访问到对象实际的虚函数。在有虚函数类的实例中,分配了指向这个表的指针的内存,所以,当用父类的指针来操作一个子类对象实体的时候,这张虚函数表就指明了实际所应该被调用的虚函数。

    2.纯虚函数与抽象类

    既然有了虚函数,那为什么还需要有纯虚函数呢?在Java编程语言中有接口的定义,在C++中虽然没有接口关键字,但是纯虚函数就完成了接口的功能。而且有时在编写基类的时候,发生了如下情况:
     (1)功能不应由基类去完成;
     (2)还没想好应该如何写基类的这个函数;
     (3)有的时候基类本身不应被实例化。

    这时就可以用到纯虚函数了。下面我们通过一个例子比较虚函数和纯虚函数的区别:

    
    class Base 
    {
    public:
      //这是一个虚函数
      virtual void vir_func()
      {
       cout << "This is a virtual function of Base" << endl;
      }
      //这是一个纯虚函数
      virtual void pure_vir_func() = 0;
    };

    由上可见,纯虚函数在类中没有定义函数体,并加上了“= 0”。而含有至少一个纯虚函数的类被称为抽象类。定义纯虚函数和抽象类的目的在于,仅仅只定义派生类继承的接口,而暂时无法提供一个合理的缺省实现。所以纯虚函数的声明就是在告诉子类的设计者,“你必须实现这个函数,但我不知道你会怎样实现它”。

    值得特别注意的是,由于抽象类至少有一个函数没有实现,所以抽象类无法被实例化,否则编译器会报错。

    下面看一下纯虚函数与抽象类的实例。本实验在GNU C++环境下进行。

    
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    class Base
    {
    public:
      //这是一个虚函数
      virtual void vir_func()
      {
        cout << "This is a virtual function of Base" << endl;
      }
    
      //这是一个纯虚函数
      virtual void pure_vir_func() =0;
    };
    
    class Derive : Base
    {
    public:
      void vir_func()
      {
        cout << "This is a virtual function of Derive" << endl;
      }
    
      void pure_vir_func()
      {
        cout << "This is a pure virtual function of Derive" << endl;
      }
    };
    
    int main()
    {
      // Base b; //企图实例化抽象类,编译器报错
      // b.vir_func();
    
      Derive d;
      d.vir_func();
      d.pure_vir_func();
    
      return 0;
    }
    

    输出:

    This is a virtual function of Derive
    This is a pure virtual function of Derive

    派生类Derive实现了基类Base类的虚函数和纯虚函数,同时注意到,企图去实例化抽象类,编译器会报错。

    一般而言,纯虚函数没有函数体,但是也可以给出纯虚函数的函数体,所以下面这样的结构是可以通过编译的:

    
    class Base
    {
    public:
      //这是一个虚函数
      virtual void vir_func()
      {
       cout << "This is a virtual function of Base" << endl;
      }
    
      //这是一个纯虚函数
      virtual void pure_vir_func() =0
      {
       cout << "This is a pure virtual function of Base" << endl;
      }
    };
    

    但这样做并没有什么意义,因为抽象类并不能实例化,不能调用该方法。

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