C++零基础教程（抽象类和接口）

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前言

本篇文章来讲解抽象类和接口的概念，抽象类和接口都需要依靠我们之前讲解的虚函数来实现，那么我们就来看看如何使用虚函数来实现抽象类和接口吧。

一、抽象类概念

抽象类是一种不能直接实例化（即创建对象）的类，它被用作其他类的基类或接口。抽象类通过声明纯虚函数（没有具体实现的虚函数）来定义接口，而派生类必须实现这些纯虚函数才能被实例化。 以下是抽象类的特点和用途：

1.抽象类不能直接实例化：抽象类只能作为基类用于继承，并为派生类提供接口和共享的行为。由于抽象类中存在纯虚函数，没有为其提供具体实现，因此不能直接创建抽象类的对象。

2.包含纯虚函数：抽象类中至少包含一个纯虚函数，通过在函数声明的末尾加上= 0来表示纯虚函数。纯虚函数没有具体的实现，派生类必须提供实现才能实例化。当一个类中有纯虚函数时，该类就成为抽象类。

3.定义接口：抽象类定义了一组纯虚函数，用于声明派生类必须实现的操作。这些纯虚函数可以视为接口，规定了派生类的行为。

4.提供默认实现：抽象类中可以包含非纯虚函数，它们可以有默认实现。这些非纯虚函数提供了通用行为或共享功能，派生类可以选择性地重写这些函数。

5.强迫派生类实现纯虚函数：派生类必须实现基类中的纯虚函数，否则派生类也会被视为抽象类，无法实例化。

6.支持多态性：通过继承抽象类并实现纯虚函数，派生类可以对基类的接口进行自定义实现，并以多态的方式使用这些派生类对象。

抽象类提供了一种定义接口和约束派生类的机制，它是面向对象编程中的重要概念。通过使用抽象类，我们可以设计出具有共享接口的相似对象，并实现代码重用和扩展性。同时，抽象类也允许我们使用多态性来处理不同类型的对象，提高代码的灵活性和可维护性。

二、抽象类例子

当深入OOP（面向对象编程）时，抽象类的一个常见用例是定义一个通用的形状类，并通过派生类实现具体的形状（如矩形、圆形等）。下面是一个用C++实现的示例：

#include <iostream>

// 抽象类 Shape
class Shape {
public:
    virtual double getArea() const = 0; // 纯虚函数
    virtual double getPerimeter() const = 0; // 纯虚函数
    virtual void print() const = 0; // 纯虚函数
};

// 派生类 Rectangle
class Rectangle : public Shape {
private:
    double length;
    double width;

public:
    Rectangle(double l, double w) : length(l), width(w) {}

    double getArea() const override {
        return length * width;
    }

    double getPerimeter() const override {
        return 2 * (length + width);
    }

    void print() const override {
        std::cout << "Rectangle: length = " << length << ", width = " << width << std::endl;
    }
};

// 派生类 Circle
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double r) : radius(r) {}

    double getArea() const override {
        return 3.14 * radius * radius;
    }

    double getPerimeter() const override {
        return 2 * 3.14 * radius;
    }

    void print() const override {
        std::cout << "Circle: radius = " << radius << std::endl;
    }
};

int main() {
    Rectangle rectangle(5, 3);
    Circle circle(2.5);

    Shape* shape1 = &rectangle; // 使用基类指针指向派生类对象
    Shape* shape2 = &circle;

    shape1->print(); // 多态调用
    std::cout << "Area: " << shape1->getArea() << ", Perimeter: " << shape1->getPerimeter() << std::endl;

    shape2->print();
    std::cout << "Area: " << shape2->getArea() << ", Perimeter: " << shape2->getPerimeter() << std::endl;

    return 0;
}

在上述代码中，定义了一个抽象类Shape，并声明了纯虚函数getArea()、getPerimeter()和print()，用于获取形状的面积、周长和打印形状信息。然后通过派生类Rectangle和Circle分别实现这些纯虚函数。

在main()函数中，创建了具体的Rectangle和Circle对象，并使用基类指针Shape* 指向派生类对象。通过多态性，我们可以调用基类指针的函数来实现对派生类对象的操作。最后，使用多态特性打印并计算了各个形状的面积和周长。

三、接口概念

在面向对象编程中，接口是一种定义类行为的抽象规范。它定义了类应该具有的方法和属性，但没有提供具体的实现。接口只关注类提供的操作，而不关心其内部实现细节。

以下是接口的特点和用途：

1.纯虚函数：接口中的方法通常是纯虚函数（C++中的纯虚函数通过= 0表示），即没有具体实现的函数。接口声明了类必须实现的操作，但不指定具体的实现方式。

2.定义行为规范：接口定义了一组方法，并规范了类应该具有的行为。它描述了一个类的功能，提供了对类的使用者的一种合约或承诺。

3.多态性支持：通过实现接口，类可以具备多态性。多态允许使用基类指针或引用来引用派生类的对象，并在运行时调用相应的方法。

4.实现解耦：接口可以将类的实现与其使用者分离，使得类和使用者之间只通过接口定义的方法进行通信。这样可以降低代码的耦合性，使系统更加灵活和可扩展。

5.重用和扩展：接口允许类实现多个接口，从而在不同的上下文中使用相同的类。这样可以实现代码的重用并支持类的扩展。

6.设计契约：接口可以被视为类与使用者之间的契约或协议。通过接口，类向外部世界公开一组操作，使用者通过接口来与类进行交互，而不需要关注其内部实现。

四、接口和抽象类的区别

接口和抽象类是面向对象编程中的两个重要概念，它们在某些方面有相似之处，但也存在一些关键区别。下面是接口和抽象类之间的主要区别：

1.实现方式：接口（Interface）只能定义方法和常量，不能包含具体的实现代码，而抽象类（Abstract Class）可以包含方法的实现代码和属性等成员。

2.继承关系：类通过实现接口来遵循接口定义的行为规范，一个类可以实现多个接口。而抽象类通过继承来扩展或修改其基类的行为。

3.多重继承限制：一个类可以实现多个接口，因此可以具备不同接口的特性。然而，类只能继承一个抽象类，因为大多数编程语言不支持多重继承。

4.构造函数：抽象类可以拥有构造函数，而接口不能具有构造函数。抽象类的构造函数主要用于在实例化时执行一些通用逻辑。

5.默认实现：接口中的方法都是抽象的，没有默认实现。而抽象类可以包含抽象方法和非抽象方法，非抽象方法可以提供默认实现。

6.设计层次：接口用于定义行为规范，将类的实现与使用者解耦。抽象类更倾向于在类的继承层次结构中扮演基类的角色，提供一些通用的行为和属性供子类继承和扩展。

总结

本篇文章就讲解到这里，下篇文章我们继续讲解。