欢迎来到C++多态性讲座：虚函数与纯虚函数的实际应用
各位程序员朋友们，大家好！今天我们要聊一聊C++中一个非常重要的概念——多态性。如果你对“虚函数”和“纯虚函数”这两个词感到陌生或者头疼，那么恭喜你，今天的讲座将会让你豁然开朗。我们不仅会用轻松幽默的方式讲解这些概念，还会通过代码实例来帮助大家更好地理解它们的实际应用场景。
什么是多态性？
在现实生活中，“多态”这个词其实很常见。比如，水可以以固态（冰）、液态（水）和气态（蒸汽）的形式存在，这就是一种多态现象。而在编程中，多态性指的是同一个接口或方法可以根据对象的不同类型表现出不同的行为。
C++中的多态性主要通过虚函数和纯虚函数实现。接下来，我们就一起看看它们是如何工作的。
虚函数：让父类指针指向子类对象
什么是虚函数？
虚函数是C++中实现运行时多态性的关键。简单来说，虚函数允许你在派生类中重新定义基类中的某个函数，而这个函数的行为会根据实际的对象类型动态决定。
举个例子，假设我们有一个动物园，里面有各种动物。每种动物都会发出不同的叫声。如果我们用继承的方式来设计这个系统，就可以使用虚函数。
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
virtual void makeSound() { // 声明为虚函数
cout << "Some generic animal sound" << endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 重写虚函数
cout << "Woof! Woof!" << endl;
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 重写虚函数
cout << "Meow! Meow!" << endl;
}
};
int main() {
Animal* myAnimal = new Dog(); // 父类指针指向子类对象
myAnimal->makeSound(); // 输出 "Woof! Woof!"
myAnimal = new Cat(); // 父类指针指向另一个子类对象
myAnimal->makeSound(); // 输出 "Meow! Meow!"
delete myAnimal; // 不要忘记释放内存哦！
return 0;
}在这个例子中，makeSound() 是一个虚函数。当我们通过 Animal* 指针调用它时，程序会根据实际的对象类型（Dog 或 Cat）调用相应的版本。
小贴士：如果没有使用
virtual关键字，程序会调用Animal类的makeSound()方法，而不是子类的实现。这种行为被称为静态绑定（static binding），而虚函数实现了动态绑定（dynamic binding）。
纯虚函数：强制子类实现
什么是纯虚函数？
有时候，我们希望定义一个基类，但这个基类本身并不需要具体的实现。例如，在动物园的例子中，Animal 类只是一个抽象的概念，我们不可能创建一个真正的“动物”对象。这时，我们可以使用纯虚函数。
纯虚函数的声明方式是在函数后面加上 = 0，表示该函数没有具体实现，必须由子类提供。
class Animal {
public:
virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 必须实现纯虚函数
cout << "Woof! Woof!" << endl;
}
};如果一个类包含纯虚函数，那么这个类就被称为抽象类，不能直接实例化。
Animal myAnimal; // 错误：无法实例化抽象类
Dog myDog; // 正确：Dog 实现了所有纯虚函数虚函数 vs 纯虚函数：对比表格
| 特性 | 虚函数 | 纯虚函数 |
|---|---|---|
| 是否有默认实现 | 可以有默认实现 | 没有默认实现 |
| 是否可以实例化 | 基类可以实例化 | 包含纯虚函数的类不能实例化 |
| 强制子类实现 | 子类可以选择不实现 | 子类必须实现 |
| 使用场景 | 适用于有通用实现的基类 | 适用于完全抽象的基类 |
实际应用案例：几何形状计算
为了让大家更好地理解虚函数和纯虚函数的实际用途，我们来看一个经典的几何形状计算问题。
假设我们需要设计一个程序来计算不同形状的面积和周长。我们可以定义一个抽象的 Shape 类，并在其中声明纯虚函数 getArea() 和 getPerimeter()。
#include <iostream>
using namespace std;
class Shape {
public:
virtual double getArea() = 0; // 纯虚函数
virtual double getPerimeter() = 0; // 纯虚函数
virtual ~Shape() {} // 虚析构函数，确保正确释放资源
};
class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
double getArea() override {
return 3.14159 * radius * radius;
}
double getPerimeter() override {
return 2 * 3.14159 * radius;
}
};
class Rectangle : public Shape {
private:
double width, height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double getArea() override {
return width * height;
}
double getPerimeter() override {
return 2 * (width + height);
}
};
int main() {
Shape* shapes[2];
shapes[0] = new Circle(5.0);
shapes[1] = new Rectangle(4.0, 6.0);
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
cout << "Shape " << i + 1 << " Area: " << shapes[i]->getArea() << endl;
cout << "Shape " << i + 1 << " Perimeter: " << shapes[i]->getPerimeter() << endl;
}
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
delete shapes[i]; // 清理内存
}
return 0;
}在这个例子中，Shape 是一个抽象类，Circle 和 Rectangle 是它的具体实现。通过虚函数机制，我们可以用统一的方式处理不同类型的形状。
总结
今天我们学习了C++中的多态性，以及如何通过虚函数和纯虚函数实现动态绑定。以下是几个关键点：
- 虚函数允许子类重写父类的方法，并在运行时根据对象类型调用相应的方法。
- 纯虚函数用于定义抽象类，强制子类实现某些方法。
- 在实际开发中，合理使用虚函数和纯虚函数可以让代码更加灵活和可扩展。
最后，引用《The C++ Programming Language》作者Bjarne Stroustrup的一句话：“C++ is a multi-paradigm programming language that supports procedural programming, object-oriented programming, and generic programming.”（C++是一种支持过程式编程、面向对象编程和泛型编程的多范式编程语言。）
希望今天的讲座能帮助你更好地理解和运用C++的多态性！如果有任何疑问，欢迎随时提问。
