C++ 纯虚函数与抽象类

一、什么是面向对象中的抽象

在面向对象编程中，抽象是一种将复杂事物简化的方法，它关注对象的本质特征而非具体实现细节。想象一下，当我们谈论 "交通工具" 时，我们不会具体指明是汽车、自行车还是飞机，而是关注它们共同的特性：能够运输人和物，可以移动到不同地点等。

以游戏开发为例，不同角色（战士、法师、刺客）都具备移动、攻击、获取经验等行为，将这些共性抽象出来，就能构建出一个通用的角色概念。这种抽象思维在软件设计中非常有价值，它能帮助我们：

建立清晰的系统架构，将问题分解为合理的模块
定义通用接口，使不同实现可以互换使用
提高代码复用性，减少重复开发
便于团队协作，不同开发者可以基于相同接口并行工作

二、纯虚函数：定义接口的特殊函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它只有声明而没有具体实现，专门用于定义接口规范。在语法上，它的声明需要在函数原型后加上 "=0"。例如：

class AbstractClass {
public:
    virtual double getArea() = 0; // 纯虚函数，计算图形面积
};

这种函数的作用是告诉编译器：这个函数是一个接口，所有继承这个类的具体子类都必须实现这个函数。就像公司规定所有员工都必须打卡，但不规定具体用什么方式打卡，每个部门可以有自己的实现方式。

纯虚函数有几个重要特性：

它没有函数体，不能被直接调用
包含纯虚函数的类无法创建对象
任何继承包含纯虚函数的类的子类，必须实现所有纯虚函数，否则该子类仍然是抽象的
纯虚函数会被放入虚函数表中，但标记为未实现状态

抽象类：接口的载体

包含至少一个纯虚函数的类被称为抽象类。抽象类就像一个蓝图或合同，它规定了所有派生类必须实现的功能，但不提供这些功能的具体实现。以下是完整的抽象类和派生类示例：

class Shape {
public:
    virtual double getArea() = 0; // 纯虚函数
    virtual double getPerimeter() = 0; // 纯虚函数
    void displayInfo() { // 普通成员函数
        std::cout << "This is a shape." << std::endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
private:
    double r;
public:
    Circle(double _r) : r(_r) {}
    double getArea() override {
        return 3.14159 * r * r;
    }
    double getPerimeter() override {
        return 2 * 3.14159 * r;
    }
};

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);
    }
};

抽象类有以下特点：

不能直接创建实例，就像不能用 "交通工具" 这个抽象概念直接制造出一个能使用的东西
可以包含普通成员变量和非纯虚函数，这些是所有派生类可以共享的特性和功能
主要用于被继承，作为派生类的接口和基础
可以定义派生类应该遵循的行为规范

在继承关系中，抽象类通常作为继承体系的顶层，定义整个体系的通用接口。例如，在图形处理程序中，可以有一个抽象的 "形状" 类，包含计算面积和周长的纯虚函数，然后派生出 "圆形"、"矩形" 等具体类，每个类都有自己计算面积和周长的方式。

实际应用场景

纯虚函数和抽象类在实际开发中有广泛应用：

框架设计：很多框架定义抽象基类作为扩展点，用户通过继承并实现纯虚函数来扩展框架功能。例如，在游戏引擎中定义GameObject抽象类，包含update()和draw()纯虚函数，开发者通过继承创建Player、Enemy等具体游戏对象。
接口标准化：在大型项目中，不同团队可以基于抽象类定义的接口并行开发，确保最终组件能够无缝对接。比如开发电商系统时，支付模块可以定义PaymentGateway抽象类，包含processPayment()纯虚函数，不同支付渠道（支付宝、微信支付）通过实现该接口完成功能对接。
多态应用：通过抽象类指针或引用，可以统一操作不同的具体实现，实现 "一个接口，多种实现"。如使用Shape指针管理Circle和Rectangle对象，调用getArea()函数时自动执行对应图形的计算逻辑。
设计模式：很多设计模式如工厂模式、策略模式等都依赖抽象类来定义接口和实现多态。例如策略模式中，定义SortingAlgorithm抽象类，包含sort()纯虚函数，派生出BubbleSort、QuickSort等具体排序算法类。

常见误区与注意事项

混淆纯虚函数与普通虚函数：纯虚函数必须在派生类中实现，而普通虚函数有默认实现，派生类可以选择是否重写。例如：

class Animal {
public:
    virtual void speak() = 0; // 纯虚函数
    virtual void move() { // 普通虚函数
        std::cout << "The animal moves." << std::endl;
    }
};

试图实例化抽象类：这是编译错误，抽象类只能作为基类使用。如Animal a;会导致编译失败。
忘记实现所有纯虚函数：派生类如果没有实现基类中所有的纯虚函数，那么这个派生类仍然是抽象类，不能实例化。
在构造函数或析构函数中调用纯虚函数：这会导致未定义行为，因为此时派生类的部分可能尚未构造或已经析构。
过度设计抽象层次：不是所有类都需要抽象基类，过度使用会增加系统复杂度。

最佳实践

接口与实现分离：抽象类只定义接口（纯虚函数）和必要的共享数据，具体实现放在派生类中。
单一职责：一个抽象类应该专注于定义某一方面的接口，避免创建过于庞大的抽象类。
最小接口原则：抽象类中的纯虚函数应该是派生类必须实现的功能，不要包含可选功能。
合理的继承层次：抽象类之间的继承应该反映概念上的层次关系，避免过深的继承链。
析构函数设计：抽象类应该定义虚析构函数，最好是纯虚析构函数并提供默认实现，确保派生类对象能被正确销毁。例如：

class AbstractClass {
public:
    virtual ~AbstractClass() = 0 {} // 纯虚析构函数，提供默认实现
    virtual void doSomething() = 0;
};