C++ 抽象类、纯虚函数与多态性：核心概念与生动解析

1. 抽象类与纯虚函数：制定“通用行动纲领”

想象一下，你是一个项目经理，要制定一个“通用行动纲领”，让所有团队成员（派生类）都必须完成某个任务，但具体怎么完成，由每个团队成员自己决定。

  • 纯虚函数 (Pure Virtual Function)：
    • 它就像项目经理在“行动纲领”里写下的一个“待办事项”：virtual void 完成任务() = 0;。
    • = 0 的意思是：我只列出这个任务，具体怎么做（函数体），你们自己去想办法！它没有具体的实现。
  • 抽象类 (Abstract Class)：
    • 如果一个“项目经理”（类）的“行动纲领”里有至少一个这样的“待办事项”（纯虚函数），那这个“项目经理”就是个“抽象项目经理”（抽象类）。
    • 特点：你不能直接“雇佣”一个“抽象项目经理”（不能创建抽象类的对象），因为他还有没具体落实的任务。
    • 作用：抽象项目经理存在的意义，就是让他的“下属团队”（派生类）去继承他，然后把那些“待办事项”都具体化（实现纯虚函数）。这样，所有团队成员就都得完成这个任务了！

生动示例：

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// 抽象的“动物”类：它规定了所有动物都得“叫”
class Animal {
public:
  // 纯虚函数：规定了“叫”这个动作，但具体怎么叫（狗汪汪，猫喵喵），由子类决定
  virtual void makeSound() = 0; 

  // 虚析构函数：后面会讲，很重要哦！
  virtual ~Animal() {} 
};

// “狗”类：继承了 Animal，并实现了“叫”
class Dog : public Animal {
public:
  void makeSound() override { // override 后面讲
    std::cout << "汪汪汪！" << std::endl;
  }
};

// “猫”类：继承了 Animal，并实现了“叫”
class Cat : public Animal {
public:
  void makeSound() override {
    std::cout << "喵喵喵！" << std::endl;
  }
};

2. override 关键字：我的专属“任务完成报告”！

  • 当你看到 void makeSound() override { 这样的代码时，override 就像一个“任务完成报告”上的特殊标记。
  • 作用：它告诉编译器和读代码的人：“看，我这个 makeSound() 函数，是特意去重写（覆盖）了基类（Animal）里那个 makeSound() 虚函数！”
  • 好处：
    • 防错：如果你不小心把 makeSound() 写成了 makeSoundd()，或者参数写错了，编译器会立刻报错，提醒你“基类里没有这个虚函数让你重写啊！”。这能帮你避免很多低级错误。
    • 清晰：一眼就能看出这个函数是重写的，代码意图更明确。
  • 建议：虽然不写 override 也能跑，但为了代码更健壮、更易读，强烈建议你每次重写虚函数时都加上它！

3. 内存管理：栈和堆，你的“工作台”和“仓库”

想象一下，你的电脑内存就是个大空间，里面有不同的区域。

  • 栈 (Stack)：

    • 就像你的“临时工作台”：空间有限，放的东西都是临时的。
    • 特点：你处理短期任务（函数执行）时，用的草稿纸（局部变量）就放在这儿。任务完成（函数结束），草稿纸就自动扔了（内存自动释放）。
    • 优点：速度快，不用你操心。
    • 缺点：空间小，东西不能久放。

  • 堆 (Heap)：

    • 就像你的“大型仓库”：空间大，可以放很多东西，但需要你手动管理。
    • 特点：你想长期保存的东西（动态创建的对象），就得放这儿。你得自己去“申请”仓库空间（new），用完了还得自己去“清理”（delete），不然仓库就会堆满垃圾（内存泄漏）。
    • 优点：空间大，东西可以放很久。
    • 缺点：速度相对慢，需要你手动管理，容易忘记清理（内存泄漏）。

  • new 操作符：就是去仓库“申请”一块空间，并把东西放进去。

  • delete 操作符：就是去仓库“清理”你之前申请的空间。

所以，Animal* myPet = new Dog(); 这句话的意思就是：在你的“大型仓库”（堆）里，养了一只“狗”，然后用一个“动物”类型的“标签”（指针 myPet）贴在它身上。

4. 指针与多态性基础：一个“通用遥控器”，控制多种动物！

  • 指针：就像一个“标签”，它不存储具体的东西，只存储东西的“地址”（在哪儿）。
  • **向上转型 (Upcasting)**：
    • C++ 有个很酷的规定：一个“动物”类型的标签，可以贴在“狗”身上，也可以贴在“猫”身上，只要“狗”和“猫”都是“动物”的子类就行。
    • 示例：Animal* myPet = new Dog();
    • 为什么可以？ 因为“狗”是一种“动物”。
    • 好处：这样你就可以用一个统一的“标签”（Animal*）来操作各种不同的动物，而不用管它具体是狗还是猫。这就是多态性的魅力！

5. 静态绑定与动态绑定：什么时候决定“谁来执行任务”？

想象一下，你有一个“通用遥控器”（指针），可以控制不同的动物。

  • 静态绑定 (Static Binding) / 编译时多态：

    • 非虚函数：如果遥控器上的按钮（函数）不是“智能”的（非虚函数），那么在你买遥控器（编译）的时候，就已经决定了按这个按钮会控制哪种动物。
    • 问题：如果你用“动物”的遥控器去控制一只“狗”，但遥控器上的“吃饭”按钮不是智能的，它可能只会发出“动物”默认的“吃饭”指令，而不会发出“狗”特有的“吃饭”指令。
    • 析构函数：如果析构函数（对象销毁时自动调用的函数）不是虚的，那么当你用“动物”的遥控器去“销毁”一只“狗”时，它只会执行“动物”的销毁步骤，而不会执行“狗”特有的销毁步骤，这可能导致“狗”内部的一些资源（内存）没被清理干净，造成内存泄漏。

  • 动态绑定 (Dynamic Binding) / 运行时多态：

    • 虚函数：如果遥控器上的按钮是“智能”的（虚函数），那么在你按下按钮（运行时）的时候，遥控器会根据它实际控制的是“狗”还是“猫”，来发出对应的“叫”指令。
    • 好处：这就是多态的精髓！用一个统一的接口（基类指针），可以实现不同的行为。

6. 虚析构函数的重要性：安全“送走”动物！

  • 作用：当你的“动物”遥控器（基类指针）指向一只“狗”（派生类对象），并且你想“送走”这只“狗”（delete 对象）时，如果“动物”的析构函数是虚的，那么它会确保先调用“狗”的“送走”步骤，再调用“动物”的“送走”步骤。
  • 目的：防止内存泄漏！确保所有派生类特有的资源都能被正确清理。
  • 调用顺序：从最具体的动物（最底层派生类）开始“送走”，一步步往上“送走”到最抽象的动物（基类）。

7. 虚函数（非析构函数）的调用顺序：只听最具体的指令！

  • 当你的“动物”遥控器（基类指针）指向一只“狗”（派生类对象），并按下“智能”按钮（调用虚函数 makeSound()）时，它只会执行“狗”特有的“汪汪汪”指令。
  • 它不会先执行“动物”的“叫”，再执行“狗”的“叫”。它直接跳到最具体的那个“叫”指令去执行。

我的学习总结

虚函数只触发最底层的，虚析构函数从底向顶依次触发。