引言
C++ 是一种支持面向对象编程（OOP）的编程语言，继承和多态是 OOP 的两个核心概念。通过继承，我们可以创建新的类，这些新类可以重用现有类的代码，并且可以根据需要进行扩展或修改。多态则允许我们编写更加通用和灵活的代码，使得程序可以在运行时根据对象的实际类型执行不同的操作。
本文将详细介绍 C++ 中的继承机制、虚函数和纯虚函数的概念及其使用方法，帮助读者理解并掌握这些重要的 OOP 特性。
1. 继承机制
1.1 定义继承
继承是面向对象编程中的一个重要特性，它允许一个类（子类）从另一个类（父类或基类）继承属性和行为。通过继承，子类不仅可以重用父类的代码，还可以添加新的功能或修改已有的功能。
在 C++ 中，使用 class 关键字定义类，并通过冒号和关键字 public、protected 或 private 来指定继承方式：
class BaseClass {
public:
void baseFunction() {
std::cout << "Base function called." << std::endl;
}
};
class DerivedClass : public BaseClass {
public:
void derivedFunction() {
std::cout << "Derived function called." << std::endl;
}
};在这个例子中，DerivedClass 继承了 BaseClass，因此它可以访问 BaseClass 中的公共成员函数 baseFunction()。
1.2 继承方式
C++ 支持三种继承方式：
- 公有继承 (
public)：子类可以访问父类的公有和保护成员，但不能访问私有成员。子类的对象也可以访问父类的公有成员。 - 保护继承 (
protected)：子类可以访问父类的公有和保护成员，但不能访问私有成员。子类的对象不能访问父类的任何成员。 - 私有继承 (
private)：子类只能访问父类的公有和保护成员，但这些成员在子类中变为私有成员。子类的对象不能访问父类的任何成员。
选择合适的继承方式取决于具体的设计需求。通常情况下，公有继承是最常用的继承方式。
1.3 构造函数和析构函数
当一个类继承自另一个类时，构造函数和析构函数的行为也会受到影响。子类的构造函数会先调用父类的构造函数，然后再初始化自己的成员变量。同样，子类的析构函数会在父类的析构函数之前被调用。
class BaseClass {
public:
BaseClass() {
std::cout << "Base constructor called." << std::endl;
}
~BaseClass() {
std::cout << "Base destructor called." << std::endl;
}
};
class DerivedClass : public BaseClass {
public:
DerivedClass() {
std::cout << "Derived constructor called." << std::endl;
}
~DerivedClass() {
std::cout << "Derived destructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
DerivedClass obj;
return 0;
}输出结果：
Base constructor called.
Derived constructor called.
Derived destructor called.
Base destructor called.2. 虚函数
2.1 定义虚函数
虚函数是实现多态的关键。通过虚函数，我们可以在派生类中重写基类的函数，并在运行时根据对象的实际类型调用相应的函数版本。
在 C++ 中，使用 virtual 关键字来声明虚函数：
class BaseClass {
public:
virtual void show() {
std::cout << "Base class show function." << std::endl;
}
};
class DerivedClass : public BaseClass {
public:
void show() override {
std::cout << "Derived class show function." << std::endl;
}
};在这个例子中，BaseClass 中的 show() 函数被声明为虚函数，而 DerivedClass 重写了这个函数。当我们通过基类指针或引用来调用 show() 函数时，实际调用的是派生类的版本：
int main() {
BaseClass* ptr = new DerivedClass();
ptr->show(); // 输出: Derived class show function.
delete ptr;
return 0;
}2.2 虚函数表
C++ 编译器为每个包含虚函数的类生成一个虚函数表（vtable），其中包含了该类所有虚函数的地址。当通过基类指针或引用调用虚函数时，编译器会根据对象的实际类型查找对应的虚函数地址并调用它。
2.3 override 和 final 关键字
override：用于显式声明派生类中的函数是重写基类的虚函数。如果派生类中的函数名称或签名不匹配基类的虚函数，编译器会报错。final：用于禁止派生类进一步重写某个虚函数。
class BaseClass {
public:
virtual void show() = 0; // 纯虚函数
};
class DerivedClass : public BaseClass {
public:
void show() override final {
std::cout << "Derived class show function." << std::endl;
}
};3. 纯虚函数
3.1 定义纯虚函数
纯虚函数是一种特殊的虚函数，它没有具体的实现，只提供函数声明。包含纯虚函数的类被称为抽象类，不能直接实例化。纯虚函数的作用是为派生类提供一个接口，要求派生类必须实现该函数。
在 C++ 中，使用 = 0 来声明纯虚函数：
class BaseClass {
public:
virtual void show() = 0; // 纯虚函数
};
class DerivedClass : public BaseClass {
public:
void show() override {
std::cout << "Derived class show function." << std::endl;
}
};3.2 抽象类
包含纯虚函数的类称为抽象类。抽象类不能直接实例化，但可以通过派生类来实现其接口。
int main() {
// BaseClass obj; // 错误：不能实例化抽象类
DerivedClass obj;
obj.show(); // 正确：通过派生类实例化并调用
return 0;
}3.3 混合使用虚函数和纯虚函数
有时我们希望某些函数在基类中有默认实现，而另一些函数则强制派生类实现。这时可以混合使用虚函数和纯虚函数：
class BaseClass {
public:
virtual void show() = 0; // 纯虚函数
virtual void display() {
std::cout << "Base class display function." << std::endl;
}
};
class DerivedClass : public BaseClass {
public:
void show() override {
std::cout << "Derived class show function." << std::endl;
}
};总结
继承和多态是 C++ 面向对象编程的核心特性。通过继承，我们可以重用代码并扩展功能；通过虚函数和纯虚函数，我们可以实现多态，编写更加灵活和通用的代码。理解这些概念对于编写高质量的 C++ 程序至关重要。
希望本文能够帮助您更好地理解 C++ 中的继承机制、虚函数和纯虚函数。如果您有任何问题或建议，请随时留言讨论！
参考资料：