C++ 抽象类与纯虚函数详解：理论与实战

抽象基类为什么不能创建对象？

抽象类是一种特殊的类，它被设计用来作为其他类的基类，不能实例化为对象。以下是关于抽象类和纯虚函数的详细解释：

1. 抽象类的定义：

• 抽象类：带有纯虚函数的类称为抽象类。抽象类不能实例化对象，只能作为基类被继承。
• 纯虚函数：一种没有实现的虚函数，其定义格式为：

  virtual <返回类型> <函数名>(<参数列表>) = 0;
  

2. 抽象类的作用：

抽象类的主要作用是定义一个接口，为派生类提供公共的根，使派生类实现这些接口。

3. 使用抽象类时的注意事项：

• 抽象类只能用作基类，不能创建抽象类的对象。
• 派生类如果没有实现基类的纯虚函数，该派生类仍然是一个抽象类。
• 派生类实现了基类的所有纯虚函数后，才变成具体类，能够实例化对象。

4. 纯虚函数的引入原因：

• 多态：为了实现多态特性，需要在基类中定义虚函数。
• 合理性：基类自身生成对象在很多情况下是不合适的。例如，Animal 类可以派生出 Tiger 和 Peacock 等子类，但 Animal 本身不应生成对象。

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类：Shape
class Shape {
public:
    // 纯虚函数，要求派生类一定要实现
    virtual void draw() const = 0;
    virtual double area() const = 0;
    // 虚析构函数确保派生类对象被正确销毁
    virtual ~Shape() {}
};

// 派生类：Circle
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    void draw() const override {
        cout << "Drawing a Circle." << endl;
    }
    double area() const override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
private:
    double radius;
};

// 派生类：Rectangle
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    void draw() const override {
        cout << "Drawing a Rectangle." << endl;
    }
    double area() const override {
        return width * height;
    }
private:
    double width, height;
};

int main() {
    // 抽象类不能实例化对象
    // Shape shape; // 错误，Shape 是抽象类

    // 使用抽象类指针或引用指向具体类对象
    Shape* shapes[2];
    shapes[0] = new Circle(5);
    shapes[1] = new Rectangle(4, 6);

    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        shapes[i]->draw();
        cout << "Area: " << shapes[i]->area() << endl;
    }

    // 释放内存
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        delete shapes[i];
    }

    return 0;
}

代码解析：

• 纯虚函数：
  • 在 Shape 基类中定义了两个纯虚函数 draw() 和 area()，表示 Shape 是一个抽象类。
• 派生类的实现：
  • Circle 和 Rectangle 类都是从 Shape 类派生出来的，并实现了纯虚函数 draw() 和 area()。
• 多态性：
  • 在 main 函数中，使用 Shape 类指针数组来存储不同的 Shape 对象，体现了多态性。
  • 调用 draw() 和 area() 方法时，实际调用的时派生类实现的函数，演示了运行时的多态性。

通过这些内容和示例代码，我们展示了抽象类和纯虚函数的概念和应用，帮助你更好地理解为什么抽象类不能实例化，以及如何运用它们来实现多态性的设计模式