继承与多态 - 继承机制、虚函数、纯虚函数

引言

C++ 是一种支持面向对象编程（OOP）的编程语言，继承和多态是 OOP 的两个核心概念。通过继承，我们可以创建新的类，这些新类可以重用现有类的代码，并且可以根据需要进行扩展或修改。多态则允许我们编写更加通用和灵活的代码，使得程序可以在运行时根据对象的实际类型执行不同的操作。

本文将详细介绍 C++ 中的继承机制、虚函数和纯虚函数的概念及其使用方法，帮助读者理解并掌握这些重要的 OOP 特性。

---

1. 继承机制

1.1 定义继承

继承是面向对象编程中的一个重要特性，它允许一个类（子类）从另一个类（父类或基类）继承属性和行为。通过继承，子类不仅可以重用父类的代码，还可以添加新的功能或修改已有的功能。

在 C++ 中，使用 class 关键字定义类，并通过冒号和关键字 public、protected 或 private 来指定继承方式：

class BaseClass {
public:void baseFunction() {std::cout << "Base function called." << std::endl;}
};class DerivedClass : public BaseClass {
public:void derivedFunction() {std::cout << "Derived function called." << std::endl;}
};

在这个例子中，DerivedClass 继承了 BaseClass，因此它可以访问 BaseClass 中的公共成员函数 baseFunction()。

1.2 继承方式

C++ 支持三种继承方式：

• 公有继承 (public)：子类可以访问父类的公有和保护成员，但不能访问私有成员。子类的对象也可以访问父类的公有成员。
• 保护继承 (protected)：子类可以访问父类的公有和保护成员，但不能访问私有成员。子类的对象不能访问父类的任何成员。
• 私有继承 (private)：子类只能访问父类的公有和保护成员，但这些成员在子类中变为私有成员。子类的对象不能访问父类的任何成员。

选择合适的继承方式取决于具体的设计需求。通常情况下，公有继承是最常用的继承方式。

1.3 构造函数和析构函数

当一个类继承自另一个类时，构造函数和析构函数的行为也会受到影响。子类的构造函数会先调用父类的构造函数，然后再初始化自己的成员变量。同样，子类的析构函数会在父类的析构函数之前被调用。

class BaseClass {
public:BaseClass() {std::cout << "Base constructor called." << std::endl;}~BaseClass() {std::cout << "Base destructor called." << std::endl;}
};class DerivedClass : public BaseClass {
public:DerivedClass() {std::cout << "Derived constructor called." << std::endl;}~DerivedClass() {std::cout << "Derived destructor called." << std::endl;}
};int main() {DerivedClass obj;return 0;
}

输出结果：

Base constructor called.
Derived constructor called.
Derived destructor called.
Base destructor called.

---

2. 虚函数

2.1 定义虚函数

虚函数是实现多态的关键。通过虚函数，我们可以在派生类中重写基类的函数，并在运行时根据对象的实际类型调用相应的函数版本。

在 C++ 中，使用 virtual 关键字来声明虚函数：

class BaseClass {
public:virtual void show() {std::cout << "Base class show function." << std::endl;}
};class DerivedClass : public BaseClass {
public:void show() override {std::cout << "Derived class show function." << std::endl;}
};

在这个例子中，BaseClass 中的 show() 函数被声明为虚函数，而 DerivedClass 重写了这个函数。当我们通过基类指针或引用来调用 show() 函数时，实际调用的是派生类的版本：

int main() {BaseClass* ptr = new DerivedClass();ptr->show(); // 输出: Derived class show function.delete ptr;return 0;
}

2.2 虚函数表

C++ 编译器为每个包含虚函数的类生成一个虚函数表（vtable），其中包含了该类所有虚函数的地址。当通过基类指针或引用调用虚函数时，编译器会根据对象的实际类型查找对应的虚函数地址并调用它。

2.3 override 和 final 关键字

• override：用于显式声明派生类中的函数是重写基类的虚函数。如果派生类中的函数名称或签名不匹配基类的虚函数，编译器会报错。
• final：用于禁止派生类进一步重写某个虚函数。

class BaseClass {
public:virtual void show() = 0; // 纯虚函数
};class DerivedClass : public BaseClass {
public:void show() override final {std::cout << "Derived class show function." << std::endl;}
};

---

3. 纯虚函数

3.1 定义纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它没有具体的实现，只提供函数声明。包含纯虚函数的类被称为抽象类，不能直接实例化。纯虚函数的作用是为派生类提供一个接口，要求派生类必须实现该函数。

在 C++ 中，使用 = 0 来声明纯虚函数：

class BaseClass {
public:virtual void show() = 0; // 纯虚函数
};class DerivedClass : public BaseClass {
public:void show() override {std::cout << "Derived class show function." << std::endl;}
};

3.2 抽象类

包含纯虚函数的类称为抽象类。抽象类不能直接实例化，但可以通过派生类来实现其接口。

int main() {// BaseClass obj; // 错误：不能实例化抽象类DerivedClass obj;obj.show(); // 正确：通过派生类实例化并调用return 0;
}

3.3 混合使用虚函数和纯虚函数

有时我们希望某些函数在基类中有默认实现，而另一些函数则强制派生类实现。这时可以混合使用虚函数和纯虚函数：

class BaseClass {
public:virtual void show() = 0; // 纯虚函数virtual void display() {std::cout << "Base class display function." << std::endl;}
};class DerivedClass : public BaseClass {
public:void show() override {std::cout << "Derived class show function." << std::endl;}
};

---

总结

继承和多态是 C++ 面向对象编程的核心特性。通过继承，我们可以重用代码并扩展功能；通过虚函数和纯虚函数，我们可以实现多态，编写更加灵活和通用的代码。理解这些概念对于编写高质量的 C++ 程序至关重要。

希望本文能够帮助您更好地理解 C++ 中的继承机制、虚函数和纯虚函数。如果您有任何问题或建议，请随时留言讨论！

---

参考资料：

• C++ Primer
• Effective Modern C++