详解C++纯虚函数与抽象类

1.虚函数

1.1虚函数简介

虚函数可以毫不夸张的说是C++最重要的特性之一，我们先来看一看虚函数的概念。

在基类的定义中，定义虚函数的一般形式为：

virtual 函数返回值类型 虚函数名（形参表）
{
 函数体
}

为什么说虚函数是C++最重要的特性之一呢，因为虚函数承载着C++中动态联编的作用，也即多态，可以让程序在运行时选择合适的成员函数。虚函数必须是类的非静态成员函数（且非构造函数），其访问权限是public。那么：
 （1）为什么类的静态成员函数不能为虚函数？
 如果定义为虚函数，那么它就是动态绑定的，也就是在派生类中可以被覆盖的，这与静态成员函数的定义（在内存中只有一份拷贝，通过类名或对象引用访问静态成员）本身就是相矛盾的。

（2）为什么构造函数不能为虚函数？
 因为如果构造函数为虚函数的话，它将在执行期间被构造，而执行期则需要对象已经建立，构造函数所完成的工作就是为了建立合适的对象，因此在没有构建好的对象上不可能执行多态（虚函数的目的就在于实现多态性）的工作。在继承体系中，构造的顺序就是从基类到派生类，其目的就在于确保对象能够成功地构建。构造函数同时承担着虚函数表的建立，如果它本身都是虚函数的话，又如何确保虚函数表的成功构建呢？

1.2虚析构函数

在类的继承中，基类的析构函数一般都是虚函数。当基类中有虚函数的时候，析构函数也要定义为虚析构函数。如果不定义虚析构函数，当删除一个指向派生类对象的指针时，会调用基类的析构函数，派生类的析构函数未被调用，造成内存泄露。

虚析构函数工作的方式是：最底层的派生类的析构函数最先被调用，然后各个基类的析构函数被调用。这样，当删除指向派生类的指针时，就会首先调用派生类的析构函数，不会有内存泄露的问题了。

一般情况下，如果类中没有虚函数，就不用去声明虚析构函数。当且仅当类里包含至少一个虚函数的时候才去声明虚析构函数。只有当一个类被用来作为基类的时候，才有必要将析构函数写成虚函数。

1.3虚函数的实现——虚函数表

虚函数是通过一张虚函数表来实现的，简称V-Table。类的虚函数表是一块连续的内存，每个内存单元中记录一个JMP指令的地址。编译器会为每个有虚函数的类创建一个虚函数表，该虚函数表将被该类的所有对象共享，类的每个虚函数成员占据虚函数表中的一行。

在这个表中，存放的是一个类的虚函数的地址。这张表解决了继承、覆盖的问题，保证使用指向子类对象实体的基类指针或引用，能够访问到对象实际的虚函数。在有虚函数类的实例中，分配了指向这个表的指针的内存，所以，当用父类的指针来操作一个子类对象实体的时候，这张虚函数表就指明了实际所应该被调用的虚函数。

2.纯虚函数与抽象类

既然有了虚函数，那为什么还需要有纯虚函数呢？在Java编程语言中有接口的定义，在C++中虽然没有接口关键字，但是纯虚函数就完成了接口的功能。而且有时在编写基类的时候，发生了如下情况：
 （1）功能不应由基类去完成；
 （2）还没想好应该如何写基类的这个函数；
 （3）有的时候基类本身不应被实例化。

这时就可以用到纯虚函数了。下面我们通过一个例子比较虚函数和纯虚函数的区别：

class Base 
{
public:
  //这是一个虚函数
  virtual void vir_func()
  {
   cout << "This is a virtual function of Base" << endl;
  }
  //这是一个纯虚函数
  virtual void pure_vir_func() = 0;
};

由上可见，纯虚函数在类中没有定义函数体，并加上了“= 0”。而含有至少一个纯虚函数的类被称为抽象类。定义纯虚函数和抽象类的目的在于，仅仅只定义派生类继承的接口，而暂时无法提供一个合理的缺省实现。所以纯虚函数的声明就是在告诉子类的设计者，“你必须实现这个函数，但我不知道你会怎样实现它”。

值得特别注意的是，由于抽象类至少有一个函数没有实现，所以抽象类无法被实例化，否则编译器会报错。

下面看一下纯虚函数与抽象类的实例。本实验在GNU C++环境下进行。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
  //这是一个虚函数
  virtual void vir_func()
  {
    cout << "This is a virtual function of Base" << endl;
  }

  //这是一个纯虚函数
  virtual void pure_vir_func() =0;
};

class Derive : Base
{
public:
  void vir_func()
  {
    cout << "This is a virtual function of Derive" << endl;
  }

  void pure_vir_func()
  {
    cout << "This is a pure virtual function of Derive" << endl;
  }
};

int main()
{
  // Base b; //企图实例化抽象类，编译器报错
  // b.vir_func();

  Derive d;
  d.vir_func();
  d.pure_vir_func();

  return 0;
}

输出：

This is a virtual function of Derive
This is a pure virtual function of Derive

派生类Derive实现了基类Base类的虚函数和纯虚函数，同时注意到，企图去实例化抽象类，编译器会报错。

一般而言，纯虚函数没有函数体，但是也可以给出纯虚函数的函数体，所以下面这样的结构是可以通过编译的：

class Base
{
public:
  //这是一个虚函数
  virtual void vir_func()
  {
   cout << "This is a virtual function of Base" << endl;
  }

  //这是一个纯虚函数
  virtual void pure_vir_func() =0
  {
   cout << "This is a pure virtual function of Base" << endl;
  }
};

但这样做并没有什么意义，因为抽象类并不能实例化，不能调用该方法。

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