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C++抽象基类三重防线：纯虚函数与保护构造的深度实践

backend 2025/5/8 9:10:55

抽象类

纯虚函数

只定义了protected构造函数的类

抽象类

抽象类有两种形式：

1 . 声明了纯虚函数的类，称为抽象类

2 . 只定义了protected型构造函数的类，也称为抽象类

纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，在许多情况下，在基类中不能对虚函数给出有意义的实现，而把它声明为纯虚函数，它的实现留给该基类的派生类去做。这就是纯虚函数的作用。纯虚函数的格式如下：

class 类名 {
public:virtual 返回类型 函数名(参数 ...) = 0;
};

在基类中声明纯虚函数就是在告诉派生类的设计者 —— 你必须提供一个纯虚函数的实现，但我不知道你会怎样实现它。

多个派生类可以对纯虚函数进行多种不同的实现，但是都需要遵循基类给出的接口（纯虚函数的声明）。

声明了纯虚函数的类成为抽象类，抽象类不能实例化对象。

看一个简单例子：

class A
{
public:virtual void print() = 0;virtual void display() = 0;
};class B
: public A
{
public:virtual void print() override{cout << "B::print()" << endl;}
};class C
: public B
{
public:virtual void display() override{cout << "C::display()" << endl;}
};void test0(){//A类定义了纯虚函数，A类是抽象类//抽象类无法创建对象//A a;//error//B b;//errorC c;A * pa2 = &c;pa2->print();pa2->display();
}

在A类中声明纯虚函数，A类就是抽象类，无法创建对象；

在B类中去覆盖A类的纯虚函数，如果把所有的纯虚函数都覆盖了（都实现了），B类可以创建对象；只要还有一个纯虚函数没有实现，B类也会是抽象类，也无法创建对象；

再往下派生C类，完成所有的纯虚函数的实现，C类才能够创建对象。

最顶层的基类（声明纯虚函数的类）虽然无法创建对象，但是可以定义此类型的指针，指向派生类对象，去调用实现好的纯虚函数。

—— 这种使用方式也归类为动态多态，尽管不符合第一个条件（基类中声明纯虚函数，而非定义），最终的效果仍然是基类指针调用到了派生类实现的虚函数，属于动态多态的特殊情况。

纯虚函数使用案例：

实现一个图形库，获取图形名称，获取图形之后计算它的面积

#include <iostream>
#include <math.h>
using namespace std;
class Figure
{
public:virtual string getName() const = 0;virtual double getArea() const = 0;};
void display(Figure& fig)
{cout << fig.getName()<< "的面积是："<< fig.getArea() << endl;
}class Rectangle //矩形
:public Figure
{
public:Rectangle(double len, double wid):_len(len),_wid(wid){}string getName() const override{return "矩形";}double getArea() const override{return _len * _wid;}
private:double _len;double _wid;
};
class Circle 
:public Figure
{
public:Circle(double r):_r(r){}string getName() const override{return "圆形";}double getArea() const override{return  PI * pow(_r, 2);}
private://constexpr 将运行时常量转化为编译时常量//static constexpr double PI = 3.14;static const double PI;double _r;
};
const double Circle::PI = 3.14;class Triangle:public Figure
{
public:Triangle(double a, double b, double c):_a(a),_b(b),_c(c){}string getName() const override{return "三角形";}double getArea() const override{double p = (_a + _b + _c) / 2;return sqrt(p * (p - _a) * (p - _b) * (p - _c));}
private:double _a;double _b;double _c;
};
void test()
{Rectangle r(10, 20);Circle c(2);Triangle t(3, 4, 5);display(r);display(c);display(t);
}
int main()
{test();return 0;}

基类Figure中定义纯虚函数，交给多个派生类去实现，最后可以使用基类的指针（引用）指向（绑定）不同类型的派生类对象，再去调用已经被实现的纯虚函数。

纯虚函数就是为了后续扩展而预留的接口。

只定义了protected构造函数的类

如果一个类只定义了protected型的构造函数而没有提供public构造函数，无论是在外部还是在派生类中作为其对象成员都不能创建该类的对象，但可以由

其派生出新的类，这种能派生新类，却不能创建自己对象的类是另一种形式的抽象类。

Base类只定义了protected属性的构造函数，不能创建Base类的对象，但是可以定义Base类的指针—— Base类是抽象类

如果Derived类也只定义了protected属性的构造函数，Derived类也是抽象类，无法创建对象，但是可以定义指针指向派生类对象

那么还需要再往下派生，一直到某一层提供了public的构造函数，才能创建对象。

class Base {
protected:Base(int base): _base(base) { cout << "Base()" << endl; }int _base;
};
class Derived
: public Base {
public:Derived(int base, int derived): Base(base), _derived(derived){ cout << "Derived(int,int)" << endl; }void print() const{cout << "_base:" << _base<< ", _derived:" << _derived << endl;}
private:int _derived;
};void test()
{Base base(1);//errorDerived derived(1, 2);
}