第十四章：C++虚函数、继承和多态详解
1. 概述
C++的虚函数、继承和多态是面向对象编程中非常重要和核心的概念。虚函数允许在派生类中重新定义基类的函数，通过继承和多态可以实现统一的接口和不同对象的不同行为。本文将详细讲解C++中虚函数、继承和多态，并结合代码和实际案例进行演示。
2. 虚函数
2.1 虚函数的定义和使用
虚函数是在基类中声明的函数，用virtual关键字修饰。它允许派生类中重新定义该函数，以实现多态的效果。以下是一个示例：
class Shape {
public:
virtual void draw() const {
cout << "Drawing a shape." << endl;
}
};
class Circle : public Shape {
public:
void draw() const {
cout << "Drawing a circle." << endl;
}
};
class Rectangle : public Shape {
public:
void draw() const {
cout << "Drawing a rectangle." << endl;
}
};
int main() {
Shape* shape1 = new Circle();
Shape* shape2 = new Rectangle();
shape1->draw();
shape2->draw();
delete shape1;
delete shape2;
return 0;
}
运行结果：
Drawing a circle.
Drawing a rectangle.
在上述代码中，Shape类的draw()函数被声明为虚函数。派生类Circle和Rectangle分别重新定义了这个虚函数，并提供了自己的实现。
在main()函数中，我们通过基类指针shape1和shape2来存储Circle和Rectangle对象。通过调用draw()函数，根据实际所指的派生类对象来调用正确的函数实现。
2.2 纯虚函数
纯虚函数是一种特殊的虚函数，它没有实现。在基类中使用纯虚函数强制要求派生类提供自己的实现。以下是一个示例：
class Shape {
public:
virtual void draw() const = 0;
};
class Circle : public Shape {
public:
void draw() const {
cout << "Drawing a circle." << endl;
}
};
int main() {
Shape* shape1 = new Circle();
shape1->draw();
delete shape1;
return 0;
}
运行结果：
Drawing a circle.
在上述代码中，Shape类的draw()函数被声明为纯虚函数，使用= 0来标记。由于纯虚函数没有实现，因此无法直接创建基类的对象。
派生类Circle提供了对纯虚函数的实现。通过基类指针shape1来存储Circle对象，并调用draw()函数。
3. 继承和多态
3.1 继承和多态的基本概念
继承是面向对象编程中的重要特性，通过继承可以创建新类来拥有已存在类的属性和方法。而多态则允许使用基类的指针或引用来操作派生类的对象，实现不同对象的不同行为。以下是一个示例：
class Animal {
public:
virtual void makeSound() const = 0;
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() const {
cout << "Woof!" << endl;
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void makeSound() const {
cout << "Meow!" << endl;
}
};
int main() {
Animal* animal1 = new Dog();
Animal* animal2 = new Cat();
animal1->makeSound();
animal2->makeSound();
delete animal1;
delete animal2;
return 0;
}
运行结果：
Woof!
Meow!
在上述代码中，Animal类作为基类声明了纯虚函数makeSound()。派生类Dog和Cat分别提供了自己对该函数的实现。
在main()函数中，我们通过基类指针animal1和animal2来存储Dog和Cat对象。通过调用makeSound()函数，根据实际所指的派生类对象来调用正确的函数实现。
3.2 多态的应用场景
多态的主要应用场景是在函数参数、返回值和容器的使用中。通过使用基类的指针或引用，可以实现对派生类对象的统一操作。以下是一个示例：
void performSound(const Animal& animal) {
animal.makeSound();
}
int main() {
Dog dog;
Cat cat;
performSound(dog);
performSound(cat);
return 0;
}
运行结果：
Woof!
Meow!
在上述代码中，performSound()函数接受一个基类Animal的引用作为参数。通过传递派生类对象（例如Dog和Cat），函数会根据实际所指的对象来调用正确的函数实现。
这种技术被称为"向上转型"，即将派生类对象当作基类对象使用。它不仅提高了代码的灵活性，还使得程序更具可扩展性和可维护性。
4. 总结
本文详细介绍了C++中虚函数、继承和多态的概念和用法。通过使用虚函数，我们可以在派生类中重新定义基类的函数，实现多态的效果。
继承和多态允许我们通过基类的指针或引用来操作派生类的对象，实现对不同对象的统一操作和不同行为。在函数参数、返回值和容器的使用中，可以应用多态来使代码更加灵活和可扩展。