讲座主题：C++中的纯虚函数与抽象类——设计灵活接口的关键
大家好！欢迎来到今天的讲座。今天我们要聊一聊C++中非常重要的两个概念：纯虚函数和抽象类。它们就像一对默契的搭档，共同帮助我们设计出灵活且强大的接口。听起来是不是有点高大上？别急，我会用轻松诙谐的语言和代码示例带你一步步理解。
开场白：为什么我们需要接口？
在现实生活中，接口无处不在。比如你家的插座就是一种接口，它定义了电压、插孔形状等标准，但具体插什么电器完全由你决定。这种灵活性让生活更方便。
同样的，在编程中，接口的作用是定义一组规则，告诉程序员“应该怎么做”，而不需要关心“具体怎么做”。C++中的纯虚函数和抽象类正是实现这种接口的核心工具。
第一部分：纯虚函数——接口的骨架
什么是纯虚函数？
纯虚函数是一种特殊的成员函数，它的声明以= 0结尾。它告诉编译器：“这个函数我只定义接口，具体的实现留给子类去完成。”
示例代码：
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
virtual ~Animal() {} // 虚析构函数，确保多态删除安全
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 实现纯虚函数
std::cout << "Woof!" << std::endl;
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 实现纯虚函数
std::cout << "Meow!" << std::endl;
}
};在这里，Animal类中的makeSound()是一个纯虚函数。任何继承自Animal的类都必须实现这个函数，否则编译器会报错。
为什么要用纯虚函数？
- 强制子类实现特定功能：通过纯虚函数，我们可以确保所有子类都提供某种行为。
- 延迟绑定：纯虚函数支持动态绑定（运行时多态），使程序更加灵活。
第二部分：抽象类——接口的容器
什么是抽象类？
如果一个类包含至少一个纯虚函数，那么这个类就被称为抽象类。抽象类不能直接实例化，只能作为基类使用。
示例代码：
// 抽象类 Animal
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
virtual ~Animal() {}
};
// 错误：无法实例化抽象类
// Animal animal; // 编译错误抽象类的特点
- 不能实例化：抽象类本身没有意义，只有通过派生类才能使用。
- 可以包含非纯虚函数：抽象类不仅可以有纯虚函数，还可以有普通成员函数和数据成员。
示例代码：
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
void eat() { // 普通成员函数
std::cout << "Eating..." << std::endl;
}
virtual ~Animal() {}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Woof!" << std::endl;
}
};
int main() {
Dog dog;
dog.makeSound(); // 输出: Woof!
dog.eat(); // 输出: Eating...
return 0;
}第三部分：纯虚函数与抽象类的实际应用
场景1：统一接口，隐藏实现细节
假设我们要设计一个图形库，支持多种形状（如圆形、矩形）。我们可以用抽象类来定义通用接口。
示例代码：
class Shape {
public:
virtual double getArea() const = 0; // 纯虚函数
virtual ~Shape() {}
};
class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
double getArea() const override {
return 3.14159 * radius * radius;
}
};
class Rectangle : public Shape {
private:
double width, height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double getArea() const override {
return width * height;
}
};
int main() {
Circle circle(5);
Rectangle rectangle(4, 6);
Shape* shapes[] = {&circle, &rectangle};
for (auto shape : shapes) {
std::cout << "Area: " << shape->getArea() << std::endl;
}
return 0;
}在这个例子中，Shape类定义了一个通用接口getArea()，而具体的实现由Circle和Rectangle类提供。
场景2：策略模式
纯虚函数和抽象类经常用于实现设计模式，比如策略模式。以下是一个简单的策略模式示例：
示例代码：
class PaymentStrategy {
public:
virtual void pay(double amount) = 0; // 纯虚函数
virtual ~PaymentStrategy() {}
};
class CreditCardPayment : public PaymentStrategy {
public:
void pay(double amount) override {
std::cout << "Paid $" << amount << " using Credit Card." << std::endl;
}
};
class PayPalPayment : public PaymentStrategy {
public:
void pay(double amount) override {
std::cout << "Paid $" << amount << " using PayPal." << std::endl;
}
};
int main() {
PaymentStrategy* strategy = new CreditCardPayment();
strategy->pay(100); // 输出: Paid $100 using Credit Card.
delete strategy;
strategy = new PayPalPayment();
strategy->pay(200); // 输出: Paid $200 using PayPal.
delete strategy;
return 0;
}第四部分：国外技术文档中的观点
- ISO C++ Standard：抽象类和纯虚函数是C++中实现多态的核心机制。
- Scott Meyers（《Effective C++》作者）：建议尽量将接口定义为抽象类，而不是具体类，以提高代码的可扩展性和灵活性。
- Herb Sutter（C++专家）：纯虚函数允许我们在不关心具体实现的情况下定义行为规范。
总结
今天我们一起探讨了C++中的纯虚函数和抽象类。它们不仅帮助我们定义灵活的接口，还让代码更具扩展性和可维护性。记住，纯虚函数是接口的骨架，而抽象类是接口的容器。两者配合使用，可以让你的程序像乐高积木一样灵活多变。
如果你觉得今天的内容有趣，不妨动手写几个小例子试试看！下次见啦，祝你编程愉快！
