几个关于C++纯虚函数与抽象类的实例

[例12.4] 虚函数和抽象基类的应用。

我们在例12.1（具体代码请查看：C++多态性的一个典型例子）介绍了以Point为基类的点—圆—圆柱体类的层次结构。现在要对它进行改写，在程序中使用虚函数和抽象基类。类的层次结构的顶层是抽象基类Shape(形状)。Point(点), Circle(圆), Cylinder(圆柱体)都是Shape类的直接派生类和间接派生类。

下面是一个完整的程序，为了便于阅读，分段插入了一些文字说明。程序如下：

第(1)部分

#include <iostream>
using namespace std;
//声明抽象基类Shape
class Shape
{
public:
   virtual float area( )const {return 0.0;}  //虚函数
   virtual float volume()const {return 0.0;}  //虚函数
   virtual void shapeName()const =0;  //纯虚函数
};

Shape类有3个成员函数，没有数据成员。3个成员函数都声明为虚函数，其中shapeName声明为纯虚函数，因此Shape是一个抽象基类。shapeName函数的作用是输出具体的形状（如点、圆、圆柱体）的名字，这个信息是与相应的派生类密切相关的，显然这不应当在基类中定义，而应在派生类中定义。所以把它声明为纯虚函数。Shape虽然是抽象基类，但是也可以包括某些成员的定义部分。类中两个函数area(面积)和volume (体积)包括函数体，使其返回值为0(因为可以认为点的面积和体积都为0)。由于考虑到在Point类中不再对area和volume函数重新定义，因此没有把area和volume函数也声明为纯虚函数。在Point类中继承了Shape类的area和volume函数。这3个函数在各派生类中都要用到。

第(2)部分

//声明Point类
class Point:public Shape//Point是Shape的公用派生类
{
public:
   Point(float=0,float=0);
   void setPoint(float ,float );
   float getX( )const {return x;}
   float getY( )const {return y;}
   virtual void shapeName( )const {cout<<"Point:";}//对虚函数进行再定义
   friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &);
protected:
   float x,y;
};
//定义Point类成员函数
Point::Point(float a,float b)
{x=a;y=b;}
void Point::setPoint(float a,float b)
{x=a;y=b;}
ostream & operator <<(ostream &output,const Point &p)
{
   output<<"["<<p.x<<","<<p.y<<"]";
   return output;
}

Point从Shape继承了3个成员函数，由于“点”是没有面积和体积的，因此不必重新定义area和volume。虽然在Point类中用不到这两个函数，但是Point类仍然从Shape类继承了这两个函数，以便其派生类继承它们。shapeName函数在Shape类中是纯虚函数， 在Point类中要进行定义。Point类还有自己的成员函数( setPoint, getX, getY)和数据成 员(x和y)。

第(3)部分

//声明Circle类
class Circle:public Point
{
public:
   Circle(float x=0,float y=0,float r=0);
   void setRadius(float );
   float getRadius( )const;
   virtual float area( )const;
   virtual void shapeName( )const {cout<<"Circle:";}//对虚函数进行再定义
   friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &);
protected:
   float radius;
};
//声明Circle类成员函数
Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){}
void Circle::setRadius(float r):radius(r){}
float Circle::getRadius( )const {return radius;}
float Circle::area( )const {return 3.14159*radius*radius;}
ostream &operator <<(ostream &output,const Circle &c)
{
   output<<"["<<c.x<<","<<c.y<<"], r="<<c.radius;
   return output;
}

在Circle类中要重新定义area函数，因为需要指定求圆面积的公式。由于圆没有体积，因此不必重新定义volume函数，而是从Point类继承volume函数。shapeName函数是虚函数，需要重新定义，赋予新的内容（如果不重新定义，就会继承Point类中的 shapeName函数）。此外，Circle类还有自己新增加的成员函数(setRadius, getRadius)和数据成员(radius)。

第(4)部分

//声明Cylinder类
class Cylinder:public Circle
{
public:
   Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0);
   void setHeight(float );
   virtual float area( )const;
   virtual float volume( )const;
   virtual void shapeName( )const {
      cout<<"Cylinder:";
   }//对虚函数进行再定义
   friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&);
protected:
   float height;
};
//定义Cylinder类成员函数
Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){}
void Cylinder::setHeight(float h){height=h;}
float Cylinder::area( )const{
   return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;
}
float Cylinder::volume( )const{
   return Circle::area( )*height;
}
ostream &operator <<(ostream &output,const Cylinder& cy){
   output<<"["<<cy.x<<","<<cy.y<<"], r="<<cy.radius<<", h="<<cy.height;
   return output;
}

Cylinder类是从Circle类派生的。由于圆柱体有表面积和体积，所以要对area和 volume函数重新定义。虚函数shapeName也需要重新定义。此外，Cylinder类还有自已 的成员函数setHeight和数据成员radius。

第(5)部分

//main函数
int main( )
{
   Point point(3.2,4.5);  //建立Point类对象point
   Circle circle(2.4,1.2,5.6);
   //建立Circle类对象circle
   Cylinder cylinder(3.5,6.4,5.2,10.5);
   //建立Cylinder类对象cylinder
   point.shapeName();
   //静态关联
   cout<<point<<endl;
   circle.shapeName();  //静态关联
   cout<<circle<<endl;
   cylinder.shapeName();  //静态关联
   cout<<cylinder<<endl<<endl;
   Shape *pt;  //定义基类指针
   pt=&point;  //指针指向Point类对象
   pt->shapeName( );  //动态关联
   cout<<"x="<<point.getX( )<<",y="<<point.getY( )<<"\narea="<<pt->area( )
      <<"\nvolume="<<pt->volume()<<"\n\n";
   pt=&circle;  //指针指向Circle类对象
   pt->shapeName( );  //动态关联
   cout<<"x="<<circle.getX( )<<",y="<<circle.getY( )<<"\narea="<<pt->area( )
      <<"\nvolume="<<pt->volume( )<<"\n\n";
   pt=&cylinder;  //指针指向Cylinder类对象
   pt->shapeName( );  //动态关联
   cout<<"x="<<cylinder.getX( )<<",y="<<cylinder.getY( )<<"\narea="<<pt->area( )
      <<"\nvolume="<<pt->volume( )<<"\n\n";
   return 0;
}

在主函数中调用有关函数并输出结果。先分别定义了 Point类对象point，Circle类对象circle和Cylinder类对象cylinder。然后分别通过对象名point, circle和cylinder调用 了shapeNanme函数，这是属于静态关联，在编译阶段就能确定应调用哪一个类的 shapeName函数。同时用重载的运箅符“<<”来输出各对象的信息，可以验证对象初始化是否正确。

再定义一个指向基类Shape对象的指针变量pt，使它先后指向3个派生类对象 point， Circle和cylinder，然后通过指针调用各函数，如 pt->shapeName( )，pt ->area()， pt->volume( )。这时是通过动态关联分别确定应该调用哪个函数。分别输出不同类对象的信息。

程序运行结果如下：

从本例可以进一步明确以下结论：

1. 一个基类如果包含一个或一个以上纯虚函数，就是抽象基类。抽象基类不能也不必要定义对象。
2. 抽象基类与普通基类不同，它一般并不是现实存在的对象的抽象（例如圆形(Circle)就是千千万万个实际的圆的抽象），它可以没有任何物理上的或其他实际意义方面的含义。
3. 在类的层次结构中，顶层或最上面的几层可以是抽象基类。抽象基类体现了本类族中各类的共性，把各类中共有的成员函数集中在抽象基类中声明。
4. 抽象基类是本类族的公共接口。或者说，从同一基类派生出的多个类有同一接口。
5. 区别静态关联和动态关联。如果是通过对象名调用虚函数（如point.shapeName()），在编译阶段就能确定调用的是哪一个类的虚函数，所以属于静态关联。 如果是通过基类指针调用虚函数（如pt ->shapeName()），在编译阶段无法从语句本身确定调用哪一个类的虚函数，只有在运行时，pt指向某一类对象后，才能确定调用的是哪 一个类的虚函数，故为动态关联。
6. 如果在基类声明了虚函数，则在派生类中凡是与该函数有相同的函数名、函数类型、参数个数和类型的函数，均为虚函数(不论在派生类中是否用virtual声明)。
7. 使用虚函数提高了程序的可扩充性。把类的声明与类的使用分离。这对于设计类库的软件开发商来说尤为重要。

开发商设计了各种各样的类，但不向用户提供源代码，用户可以不知道类是怎样声明的，但是可以使用这些类来派生出自己的类。利用虚函数和多态性，程序员的注意力集中在处理普遍性，而让执行环境处理特殊性。

多态性把操作的细节留给类的设计者(他们多为专业人员)去完成，而让程序人员(类的使用者)只需要做一些宏观性的工作，告诉系统做什么，而不必考虑怎么做，极大地简化了应用程序的编码工作，大大减轻了程序员的负担，也降低了学习和使用C++编程的难度，使更多的人能更快地进入C++程序设计的大门。