纯虚函数和虚函数的区别

在C++编程语言中，纯虚函数和虚函数是面向对象编程（OOP）中用来实现多态性和抽象概念的重要组成部分。它们用于类的继承和实现区别化的行为，在一些复杂的软件系统中发挥关键作用。虽然它们听上去很相似，但在实际使用中存在显著的区别。下面将从定义、使用场景、编译器处理以及设计模式等多个方面详细讨论纯虚函数和虚函数的区别。

纯虚函数

定义和语法

纯虚函数是一个在基类中声明但不提供实现的虚函数。其基本语法是将赋值符号和0结合在一起，如下所示：

class Base {
public:
    virtual void pureVirtualFunction() = 0;
};

在这个例子中，pureVirtualFunction是一个纯虚函数。纯虚函数的存在使得一个类成为抽象类，因而不能直接实例化这个类。任何类如果包含至少一个纯虚函数，则该类就是抽象类。

使用场景

1. 定义接口：纯虚函数常常用于定义接口。接口是一组方法的声明，表示类必须实现这些方法但不定义具体实现。通过这种方式，纯虚函数促进了代码的模块化和松耦合。

2. 强制派生类实现：当你希望派生类必须实现某些函数时，便可以在基类中将这些函数声明为纯虚函数。这确保了任何具体子类中都有这些函数的具体实现。

3. 实现抽象概念：纯虚函数允许程序员在基类中定义一个抽象概念。例如，在一个图形应用中，可以使用一个Shape基类，其中包含几个纯虚函数，如draw()和resize()。

编译器处理

当编译器遇到一个包含纯虚函数的类时，它会将这个类标记为抽象类。编译器不允许直接实例化这些抽象类，但可以用于指向派生类的指针或引用。

虚函数

定义和语法

虚函数是在基类中声明并可能提供实现的函数，其定义通常使用关键字virtual：

class Base {
public:
    virtual void virtualFunction() {
        // 默认实现
    }
};

在这个例子中，virtualFunction是一个虚函数。子类可以选择重新定义这个函数以提供不同的行为。

使用场景

1. 提供默认行为并允许覆写：虚函数使得基类可以提供一个默认实现，同时允许派生类根据它们的需要对其进行覆写。

2. 多态性实现：虚函数是C++实现运行时多态性的基础，通过基类指针或引用调用子类的方法。

3. 代码扩展和维护：通过虚函数，系统可以在不修改已有代码的情况下扩展新功能，这也符合开闭原则（对扩展开放，对修改封闭）。

编译器处理

当包含虚函数的类被实例化时，编译器通常会创建一个虚拟表（vtable）来映射函数调用。一个类的虚拟表是一种数组，用于存储指向该类的虚函数的指针。

纯虚函数与虚函数的主要区别

1. 实现部分：纯虚函数在声明时不需要实现，而虚函数可以有一个默认实现。

2. 抽象类：包含纯虚函数的类被视为抽象类，而一个类即使包含虚函数，也可以在虚函数提供默认实现的情况下被实例化。

3. 设计目的：纯虚函数用于要求派生类必须实现这些函数，通常用于定义抽象接口；虚函数的目的是提供灵活性，使得派生类可以选择性地覆写已有的默认行为。

4. 实例化：无法直接实例化包含纯虚函数的类。虚函数则允许类实例化，尽管可以在派生类中对虚函数进行覆写。

实例分析

假设有一个应用程序要处理不同的文档格式，如PDF和Word文档。可以定义一个基类Document，并使用纯虚函数和虚函数实现这个需求。

class Document {
public:
    virtual void open() = 0;    // 纯虚函数，定义接口但不提供实现
    virtual void close() {      // 虚函数，提供默认实现
        std::cout << "Closing document." << std::endl;
    }
};

class PDFDocument : public Document {
public:
    void open() override {      // 必须实现纯虚函数
        std::cout << "Opening PDF document." << std::endl;
    }
    void close() override {     // 可以选择覆写或者不覆写虚函数
        std::cout << "Closing PDF document." << std::endl;
    }
};

class WordDocument : public Document {
public:
    void open() override {      // 必须实现纯虚函数
        std::cout << "Opening Word document." << std::endl;
    }
    // 继承Document类的close()函数实现
};

在这个实例中，open()是一个纯虚函数，要求所有派生类都必须实现它。close()是一个虚函数，提供默认实现，不过PDFDocument选择覆写它以展现不同的行为。

总结

纯虚函数和虚函数都是实现多态性的强大工具，它们在设计模式和实现抽象接口方面发挥着重要作用。理解这两者的区别和使用场景不仅有助于编写更灵活、可维护的代码，还能提升软件的结构设计能力。使用纯虚函数可以清晰地表达抽象概念和设计意图，而虚函数则为派生类提供了灵活性，使得继承结构易于扩展和维护。在实际应用中，需要根据特定的设计需求和软件架构选择具体的实现方式。