C++中的虚函数和多态

虚函数

C++中的虚函数是面向对象编程中的一个核心概念，它允许你在派生类中重写基类中的成员函数。虚函数为多态性提供了机制，使得可以通过基类指针或引用调用派生类中重写的函数。这里是关于虚函数的详细解释：

定义虚函数

在基类中，你可以通过在成员函数声明前加上关键字virtual来定义一个虚函数：

class Base {
public:virtual void show() {std::cout << "Base class show" << std::endl;}
};

重写虚函数

在派生类中，你可以重写基类中定义的虚函数，无需再次使用virtual关键字（尽管加上它也是一个好的实践，以增强代码的可读性）：

class Derived : public Base {
public:void show() override { // 使用C++11中的override关键字是个好习惯std::cout << "Derived class show" << std::endl;}
};

虚函数和多态

虚函数使得通过基类指针或引用调用相应的派生类中的函数成为可能，这种机制称为多态。多态允许在不知道对象确切类型的情况下与对象交互：

Base* basePtr = new Derived();
basePtr->show(); // 调用Derived类的show()，而不是Base类的show()

纯虚函数和抽象类

如果一个类中至少有一个纯虚函数，则该类被称为抽象类。纯虚函数是通过在函数声明的末尾加上= 0来指定的，这表示函数没有实现，派生类必须提供实现：

class AbstractBase {
public:virtual void pureVirtualFunc() = 0; // 纯虚函数
};

纯虚函数使得基类能够定义一个接口，而派生类则负责实现该接口。抽象类不能被实例化。

虚析构函数

当通过基类指针删除派生类对象时，为了确保正确调用派生类的析构函数，基类的析构函数应该被声明为虚析构函数：

class Base {
public:virtual ~Base() {// 资源清理代码}
};

如果析构函数不是虚的，那么删除派生类对象的时候可能只会调用基类的析构函数，导致派生类中分配的资源没有被正确释放。

总结

虚函数是实现多态性的基础，它允许你使用基类指针或引用来操作派生类对象，并调用正确的成员函数。这种机制大大增强了语言的灵活性和表达能力，使得代码更加模块化和可扩展。通过纯虚函数和抽象类，C++还允许定义接口，进一步促进了面向对象设计原则的应用。

多态

C++中的多态是面向对象编程的一个核心特性，它允许对象以引用或指针的方式被视为其自身的类型或其基类型。多态性主要通过虚函数（动态多态）和函数重载（静态多态）来实现。这里将主要关注动态多态，因为它更贴近多态的典型用途。

动态多态（运行时多态）

动态多态是在运行时实现的，允许你通过基类的指针或引用来调用派生类的方法。它主要依赖于虚函数和继承。

虚函数

在基类中声明的函数，如果在派生类中被重写，可以声明为虚函数（使用virtual关键字）。当通过基类的指针或引用调用虚函数时，C++运行时会根据对象的实际类型来决定调用哪个版本的函数，这就是多态性的体现。

示例

class Base {
public:virtual void print() {cout << "Base" << endl;}virtual ~Base() {} // 虚析构函数，确保派生类对象的正确清理
};class Derived : public Base {
public:void print() override { // C++11中推荐使用override关键字cout << "Derived" << endl;}
};

使用：

Base* basePtr = new Derived();
basePtr->print(); // 输出 "Derived"
delete basePtr; // 调用正确的析构函数

这段代码展示了多态的典型用法：基类指针指向派生类对象，并调用虚函数print，实际执行的是派生类的print方法。

为什么需要多态

多态允许你编写更通用和可重用的代码。例如，你可以编写一个接受基类指针或引用的函数，并对任何派生类对象进行操作，而无需知道对象的具体类型。这使得代码更加灵活和可扩展。

静态多态（编译时多态）

静态多态是通过函数重载和模板（函数模板和类模板）实现的。这种多态在编译时就已经确定了函数调用的版本，而不是在运行时。

函数重载

在同一个作用域内，可以有多个同名函数，只要它们的参数列表不同（包括参数类型和/或参数数量）。

模板

模板允许你编写与类型无关的代码。函数模板和类模板可以用于创建泛型函数或类。

总结

多态性使得C++程序更加灵活和可扩展，是面向对象编程的一个关键特性。动态多态通过虚函数实现，允许在运行时根据对象的实际类型调用相应的方法。静态多态则在编译时通过函数重载和模板实现，它提供了编译时的类型安全和灵活性。两种形式的多态各有用途，通常在设计和实现C++程序时会根据需要选择使用。

纯虚函数和抽象类

在C++中，纯虚函数和抽象类是面向对象编程中实现接口和抽象基类的重要概念，它们用于定义接口和实现多态。

纯虚函数

纯虚函数是在基类中声明但不提供实现的虚函数。它通过在函数声明的末尾添加= 0来指定。纯虚函数的存在要求派生类必须提供该函数的实现（除非派生类也是一个抽象类）。这样做的目的是为了定义一个接口，强制派生类遵循特定的协议。

示例

class Shape {
public:virtual void draw() = 0; // 纯虚函数virtual ~Shape() {} // 虚析构函数，确保派生类对象的正确清理
};

在这个例子中，Shape类定义了一个纯虚函数draw。任何从Shape派生的类都必须实现draw函数，否则它们也会被视为抽象类。

抽象类

包含至少一个纯虚函数的类被称为抽象类。抽象类不能被实例化，它们的主要用途是作为基类来提供派生类的接口。抽象类可能包含纯虚函数以外的成员函数和数据成员，这些成员函数可以是完全实现的，也可以是虚函数但不是纯虚函数。

示例

考虑上面的Shape类，它是一个抽象类。我们可以派生出具体的形状类，如Circle和Rectangle，并为它们实现draw方法：

class Circle : public Shape {
public:void draw() override {cout << "Drawing Circle" << endl;}
};class Rectangle : public Shape {
public:void draw() override {cout << "Drawing Rectangle" << endl;}
};