C++中的虚函数与纯虚函数区别详解

一、引言

在C++中，多态性是面向对象编程的三大特性之一，它允许我们使用共同的接口来操作不同类型的对象。虚函数（Virtual Function）和纯虚函数（Pure Virtual Function）是实现多态性的关键工具。本文将详细解释这两种函数的概念、用法以及它们在C++编程中的重要性和应用场景。

二、虚函数的概念

虚函数是C++中实现动态多态性的一种机制。在基类中，我们可以将某个成员函数声明为虚函数，这意味着在派生类中该函数可以被重写（override）。当通过基类指针或引用调用该函数时，将会调用相应对象实际类型的函数实现，而不是基类中的实现。这就是动态绑定或运行时多态性的基础。

代码示例：

class Base {public:    virtual void func() { // 虚函数        std::cout << "Base::func()" << std::endl;    }};class Derived : public Base {public:    void func() override { // 重写基类中的虚函数        std::cout << "Derived::func()" << std::endl;    }};int main() {    Base* ptr = new Derived(); // 基类指针指向派生类对象    ptr->func(); // 调用的是Derived类的func()函数    delete ptr;    return 0;}

重点内容： 在上面的代码中，Base类中的func()函数被声明为虚函数。在Derived类中，我们重写了这个函数。在main()函数中，我们创建了一个Derived类的对象，但是通过一个Base类的指针来访问它。当我们通过这个指针调用func()函数时，实际上调用的是Derived类中的实现，这就是动态多态性的体现。

三、纯虚函数的概念

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它在基类中没有实现（或者说实现为空）。包含纯虚函数的类是抽象类，不能被实例化。纯虚函数的作用是在基类中定义一个接口，要求所有派生类都必须实现这个接口。这样，基类就成了一个抽象基类，用于定义一组接口，而具体的实现则留给派生类来完成。

代码示例：

class AbstractBase {public:    virtual void pureFunc() = 0; // 纯虚函数};class ConcreteDerived : public AbstractBase {public:    void pureFunc() override { // 必须实现基类的纯虚函数        std::cout << "ConcreteDerived::pureFunc()" << std::endl;    }};int main() {    // AbstractBase ab; // 错误！抽象类不能被实例化    ConcreteDerived cd; // 正确，因为提供了pureFunc()的实现    cd.pureFunc(); // 调用的是ConcreteDerived类的pureFunc()函数    return 0;}

重点内容： 在上面的代码中，AbstractBase类包含了一个纯虚函数pureFunc()，这使得AbstractBase成为了一个抽象基类，不能被实例化。ConcreteDerived类继承了AbstractBase，并提供了pureFunc()的具体实现。在main()函数中，我们创建了一个ConcreteDerived类的对象，并调用了其pureFunc()函数。注意，我们不能直接实例化AbstractBase类，因为它包含纯虚函数。

四、虚函数与纯虚函数的应用场景

虚函数和纯虚函数在C++编程中有着非常广泛的应用。它们允许我们编写更加灵活和可扩展的代码。例如，在设计一个游戏时，我们可以定义一个抽象的“角色”类（包含纯虚函数），然后为不同的角色类型（如玩家、敌人等）创建派生类。这样，我们就可以通过基类指针来统一处理不同类型的角色，同时保持代码的清晰和可扩展性。

虚函数和纯虚函数在C++中都是实现多态性的重要机制，但它们之间存在几个关键的区别。

1.函数实现：

虚函数： 在基类中提供了函数的实现。派生类可以选择重写（override）这个函数，但也不是必须重写。如果派生类没有重写虚函数，那么当通过基类指针或引用调用该函数时，将会执行基类中的实现。

纯虚函数： 在基类中没有提供函数的具体实现（或者说实现为空），它仅仅声明了一个接口。派生类必须提供这个函数的实现，否则派生类也将成为抽象类，无法被实例化。

2.类的实例化：

虚函数： 包含虚函数的类是可以被实例化的。

纯虚函数： 包含纯虚函数的类是抽象类，不能被实例化。只有当派生类实现了所有的纯虚函数后，派生类才能被实例化。

3.用途：

虚函数： 通常用于实现“实作继承”，即继承接口的同时也继承了父类的一种可能实现。这种方式提供了一定的灵活性，允许派生类根据需要重写父类的方法。

纯虚函数： 关注于接口的统一性，它强制派生类提供具体的实现。这种方式用于定义一组接口，确保所有派生类都遵循相同的规范。

4.声明方式：

虚函数： 在基类中使用virtual关键字声明，并提供函数体（即实现）。

纯虚函数： 在基类中使用virtual关键字声明，并在函数原型后面添加= 0来表示它是纯虚的，不提供函数体。

综上所述，虚函数和纯虚函数的主要区别在于它们的实现要求、对类实例化的影响、用途以及声明方式。虚函数提供了默认的实现，而纯虚函数则强制派生类提供实现，从而确保了接口的一致性。

五、结论

虚函数和纯虚函数是C++中实现多态性的关键工具。通过它们，我们可以编写出更加灵活、可扩展且易于维护的代码。掌握这些概念对于成为一名优秀的C++程序员来说是非常重要的。