C++抽象类与接口
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C++,C++基本语法

1767 字
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27 分钟

引入原因：为了方便使用多态特性，常在基类中定义虚函数，在很多情况下，基类本身生产对象是不合理的，例如动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但是动物本身生成对象明显不符合常理。

因此为了解决上述问题，引入纯虚函数的概念，将函数定义为纯虚函数，virual retType Function() = 0，则编译器会要求在派生类中必须对该虚函数重载以实现多态性，同时将含有纯虚函数的类称为抽象类，它不能生成对象。这就很好的解决了上面的问题。

C++中的抽象类是指至少包含一个纯虚函数（pure virtual function）的类。抽象类不能实例化，只能用作基类（base class）。抽象类主要用于定义接口（interface），实现多态性（polymorphism）。

抽象类的规定

  • 不能实例化：抽象类不能直接创建对象实例。 
    Shape shape; // 错误，Shape是抽象类
  • 可以有构造函数：抽象类可以有构造函数，但是智能在派生类的构造函数中调用。

  • 可以包含具体函数：抽象类除了纯虚函数，还可以包含具体实现的函数，这里函数在派生类中可以被继承和使用。

  • 派生类必须实现基类的纯虚函数：派生类必须实现所有从基类继承的纯虚函数，除非派生类本身也是抽象类。

    在复杂的继承关系中建议使用override显式重写父类虚函数。

  • 抽象类不能作为参数类型、函数返回类型或显式转换的类型（抽象类的指针和引用除外）。

  • 可以定义指向抽象类的指针和引用，这样做是为了可以指向它的派生类，进而实现多态性。

示例代码

#include <iostream>

// 抽象类
class Shape {
public:
    // 纯虚函数
    virtual void draw() = 0;
    virtual double area() = 0;
};

// 派生类：Circle
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    void draw() override { std::cout << "Drawing Circle" << std::endl; }
    double area() override { return 3.14 * radius * radius; }
};

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

int main() {
    Shape* shape1 = new Circle(5.0);
    Shape* shape2 = new Rectangle(4.0, 6.0);

    shape1->draw();
    std::cout << "Area: " << shape1->area() << std::endl;

    shape2->draw();
    std::cout << "Area: " << shape2->area() << std::endl;
    return 0;
}

Shape类是一个抽象类，包含两个纯虚函数draw和area。

Circle类和Rectangle类继承自Shape，并且实现了纯虚函数。

在main函数中，我们通过基类指针（Shape*）创建了派生类的对象，并调用了它们的成员函数。这样实现了多态性。

使用场景

抽象类通常用于以下场景：

  • 定义接口：提供一个统一的接口，不同的派生类可以有不同的实现。
  • 实现多态性：可以通过基类指针或引用调用派生类的函数。
  • 代码重用和扩展：通过继承和多态，可以更容易地扩展和维护代码。

通过使用抽象类，C++程序可以更好地实现面向对象的设计原则，如封装、继承和多态。

抽象类和接口的区别

抽象类（abstract classes）和接口（interface）的区别如下：

抽象类：定义了一个或多个纯虚函数的类称为抽象类，抽象类是特殊的类，除此之外，具有类的其他特性，例如可以包含具体实现的函数和成员变量，可以提供一些默认的行为。

接口：在C++中通过全纯虚类来实现，全纯虚类即只包含纯虚函数的类，不含有任何具体实现和成员变量，而且接口只定义了行为，没有任何实现细节。

这里的接口，有两种含义：

  • interface：面向对象的接口，也是本文所说的接口，通过全纯虚类实现，没有实现细节。
  • application programming interface：应用程序编程接口，通常也称之为API，API是一组不同软件组件进行交互的定义的协议，例如计网中各个层次之间相互开放的API，在或者是进行网络编程所用到的Socket等这一类都称为API，通常简称接口。API可以是库、框架、对外服务的公开函数、类等的集合，开发者可以通过这些接口来访问特定的功能。
    • 操作系统API：如Windows API，提供操作系统服务的访问接口。
    • Web API：如RESTful API，允许不同系统通过HTTP协议进行通信和数据交换。
    • 库和框架API：如标准模板库（STL）或Qt库，提供开发者使用的类和函数。

抽象类和接口的关系，可以看作包含关系，例如可以在接口（interface）的基础上添加非虚函数、构造函数、成员变量等，这时接口便不再是接口，它已经进化为一个抽象类。因此可以说接口是抽象类的一部分。

接下来使用两个例子来分析：

#include <iostream>
// 抽象类
class AbstractClass {
public:
    // 成员变量
    int memberVariable;
    // 纯虚函数
    virtual void pureVirtualFunction() = 0;
    // 具体函数
    void concreteFunction() { std::cout << "This is a concrete function in AbstractClass" << std::endl; }
    // 构造函数
    AbstractClass() : memberVariable(0) { std::cout << "AbstractClass constructor" << std::endl; }
    // 虚析构函数
    virtual ~AbstractClass() {}
};

// 派生类
class DerivedClass : public AbstractClass {
public:
    void pureVirtualFunction() override { std::cout << "Implementation of pureVirtualFunction in DerivedClass" << std::endl; }
};

int main() {
    DerivedClass obj;
    obj.pureVirtualFunction();
    obj.concreteFunction();
    return 0;
}

抽象类特点：

  • 可以包含纯虚函数和具体实现的函数。
  • 可以有成员变量。
  • 可以有构造函数和析构函数。
  • 用于提供默认行为和部分实现。
#include <iostream>
// 接口类
class Interface {
public:
    // 纯虚函数
    virtual void function1() = 0;
    virtual void function2() = 0;
    // 虚析构函数
    virtual ~Interface() {}
};

// 实现类
class Implementation : public Interface {
public:
    void function1() override { std::cout << "Implementation of function1" << std::endl; }
    void function2() override { std::cout << "Implementation of function2" << std::endl; }
};

int main() {
    Implementation obj;
    obj.function1();
    obj.function2();
    return 0;
}

接口的特点：

  • 只包含纯虚函数，没有任何具体实现的函数。
  • 不包含成员变量。
  • 通常只有析构函数，没有构造函数。
  • 用于定义行为，不提供任何实现。

使用场景

  • 抽象类：当你有一些共享的实现或状态时，可以使用抽象类。抽象类允许你在基类中提供部分实现，并在派生类中进行特化。例如，图形库中可以有一个抽象的Shape类，包含计算面积的纯虚函数和保存形状颜色的成员变量。

  • 接口：当你只需要定义一组行为，而不涉及任何实现时，使用接口。接口确保所有派生类提供这些行为的具体实现。例如，插件系统可以定义一个PluginInterface接口，要求所有插件实现初始化和执行功能。

抽象类的一个具体实例

#include <iostream>
using namespace std;

class AbstractDrinking {
   public:
    // 烧水
    virtual void Boil() = 0;
    //  冲泡
    virtual void Brew() = 0;
    // 倒入杯中
    virtual void PourInCup() = 0;
    // 加入佐料
    virtual void PutSomething() = 0;
    // 规定流程
    void MakeDrinking() {
        Boil();
        Brew();
        PourInCup();
        PutSomething();
    }
    virtual ~AbstractDrinking() = default;
};

class Coffe : public AbstractDrinking {
   public:
    // 烧水
    void Boil() { cout << "烧矿泉水" << endl; }
    //  冲泡
    void Brew() { cout << "冲咖啡" << endl; }
    // 倒入杯中
    void PourInCup() { cout << "咖啡倒入杯中" << endl; }
    // 加入佐料
    void PutSomething() { cout << "加入牛奶" << endl; }
};

class Tea : public AbstractDrinking {
   public:
    // 烧水
    void Boil() { cout << "烧自来水" << endl; }
    //  冲泡
    void Brew() { cout << "冲茶叶" << endl; }
    // 倒入杯中
    void PourInCup() { cout << "茶倒入杯中" << endl; }
    // 加入佐料
    void PutSomething() { cout << "加入柠檬" << endl; }
};

void makeDrinking(AbstractDrinking* p) {
    p->MakeDrinking();
    delete p;
}

int main() {
    makeDrinking(new Coffe);
    cout << "---------------------" << endl;
    makeDrinking(new Tea);

    return 0;
}

烧矿泉水
冲咖啡
咖啡倒入杯中
加入牛奶
---------------------
烧自来水
冲茶叶
茶倒入杯中
加入柠檬
作者：WuQiling
文章链接：https://www.wqlblog.cn/c抽象类/
文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 协议进行许可，转载请遵循协议
C++
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