详解C++中的抽象类和接口

前言

面向对象编程中的抽象和接口是两个非常重要的概念，它们可以帮助我们实现代码的可重用性、可扩展性和可维护性。在图形界面应用中，我们需要定义一些基本的控件，如按钮、文本框、标签等。这些控件都有一些共同的属性和方法，如位置、大小、背景颜色、字体、点击事件等。我们可以定义一个抽象类 Control，它包含这些共同的属性和方法，然后定义各种具体的控件类，如 Button、TextBox、Label 等，它们继承自 Control 类并实现其接口。这样，我们就可以通过 Control 类型的指针或引用来操作各种控件，实现了多态性，使代码更加简洁，同时也实现的代码的可重性，可扩展性和可维护性。在学习抽象类和接口之前，先了解一下什么是纯虚函数。

纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它在基类中只有函数声明，没有函数实现。纯虚函数的存在是为了将函数的实现责任交给派生类，而基类只负责定义接口和规范行为。

纯虚函数的主要作用有以下几点：

1. 实现接口规范：纯虚函数可以用来定义接口，即基类声明了一些纯虚函数，派生类必须实现这些函数才能创建对象。这样可以确保派生类都具有相同的接口，实现了接口规范。

2. 强制派生类实现：纯虚函数要求派生类必须实现该函数，否则派生类也会成为抽象类，无法创建对象。这样可以强制派生类实现某些特定的行为，确保派生类的完整性。

3. 多态性的实现：通过基类的指针或引用调用纯虚函数，可以实现多态性。在运行时，根据指针或引用所指向的对象的实际类型，调用相应的派生类的函数实现，从而实现了多态性。

纯虚函数的语法形式是在函数声明后面加上 "= 0"，例如：

virtual void function() const = 0;

需要注意的是，包含纯虚函数的类称为抽象类，抽象类不能创建对象。只有派生类实现了所有的纯虚函数，才能创建对象。

总之，纯虚函数的存在可以帮助我们定义接口规范、强制派生类实现特定行为，并实现多态性。它是面向对象编程中非常重要的概念之一。

抽象

抽象是一种将具体的事物抽象成一些通用的概念或模型的方法。在面向对象编程中，抽象通常是通过定义抽象类或接口来实现的。抽象类是一种不能被实例化的类，它定义了一些抽象方法，这些方法只有方法名和参数列表，没有具体的实现。派生类必须实现这些抽象方法才能被实例化。抽象类通常用于定义一些通用的行为，而具体的实现则由派生类来完成。

抽象类

抽象类是一种不能实例化的类，它只能作为其他类的基类来使用。抽象类中包含了至少一个纯虚函数，纯虚函数是没有实现体的虚函数，用“= 0”来标记。抽象类的作用是定义一组抽象接口，让子类来实现。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual double perimeter() const = 0; // 纯虚函数
};
 
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override { return 3.14 * radius * radius; }
    double perimeter() const override { return 2 * 3.14 * radius; }
private:
    double radius;
};
 
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double area() const override { return width * height; }
    double perimeter() const override { return 2 * (width + height); }
private:
    double width;
    double height;
};

上面的代码定义了一个抽象类 Shape，它包含了两个纯虚函数 area 和 perimeter。然后定义了两个具体的子类 Circle 和 Rectangle，它们实现了 Shape 的接口。

下面再以动物园举一个更加通俗易懂的例子，为了帮助你更好理解抽象类。

假设我们有一个动物园，里面有不同种类的动物，如狗、猫、鸟等。我们希望能够统一管理这些动物，比如让它们都能发出声音。

我们可以定义一个抽象类 Animal，它有一个纯虚函数 makeSound()，表示动物发出声音的行为。

class Animal {
public:
    virtual void makeSound() const = 0; // 纯虚函数
};
 
class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() const override { cout << "汪汪汪！" << endl; }
};
 
class Cat : public Animal {
public:
    void makeSound() const override { cout << "喵喵喵！" << endl; }
};
 
class Bird : public Animal {
public:
    void makeSound() const override { cout << "叽叽喳喳！" << endl; }
};

在上面的代码中，Animal 是一个抽象类，它定义了一个纯虚函数 makeSound()。然后我们定义了三个具体的动物类 Dog、Cat 和 Bird，它们继承自 Animal 类并实现了 makeSound() 函数。

现在我们可以创建不同种类的动物对象，并调用它们的 makeSound() 函数来发出声音：

int main() {
    Animal* dog = new Dog();
    Animal* cat = new Cat();
    Animal* bird = new Bird();
 
    dog->makeSound();  // 输出：汪汪汪！
    cat->makeSound();  // 输出：喵喵喵！
    bird->makeSound(); // 输出：叽叽喳喳！
 
    delete dog;
    delete cat;
    delete bird;
 
    return 0;
}

通过抽象类 Animal 和多态性，我们可以统一管理不同种类的动物，并调用它们的共同行为 makeSound()，实现了代码的复用和可扩展性。

接口

接口是一种定义了一组方法的抽象类。它只包含函数的声明，没有函数的实现。接口用于定义对象应该具有的行为，而不关心具体的实现细节。通过接口，可以将不同的类归类为同一类型，从而可以使用统一的接口来操作这些对象，而不需要关心具体的对象类型。接口的实现可以通过抽象类来实现。抽象类是一个包含纯虚函数的类，它定义了接口规范，派生类必须实现这些纯虚函数才能创建对象。

接口是一种特殊的抽象类，它只包含纯虚函数和静态常量，没有数据成员和非虚函数。接口的作用是定义一组纯虚函数，让其他类来实现。

class Printable {
public:
    virtual void print() const = 0; // 纯虚函数
};
 
class Person : public Printable {
public:
    Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
    void print() const override { cout << name << ", " << age << " years old" << endl; }
private:
    string name;
    int age;
};
 
class Book : public Printable {
public:
    Book(string t, string a) : title(t), author(a) {}
    void print() const override { cout << title << " by " << author << endl; }
private:
    string title;
    string author;
};

上面的代码定义了一个接口 Printable，它包含了一个纯虚函数 print。然后定义了两个具体的类 Person 和 Book，它们实现了 Printable 的接口。这样，我们就可以通过 Printable 类型的指针或引用来调用 print 函数，实现了多态性。

如何使用接口和抽象类来实现多态性

// 定义接口
class Shape {
public:
    virtual double getArea() const = 0; // 纯虚函数
    virtual double getPerimeter() const = 0; // 纯虚函数
};
 
// 实现接口的抽象类
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
 
public:
    Circle(double radius) : radius(radius) {}
 
    double getArea() const override {
        return 3.14 * radius * radius;
    }
 
    double getPerimeter() const override {
        return 2 * 3.14 * radius;
    }
};
 
class Rectangle : public Shape {
private:
    double width;
    double height;
 
public:
    Rectangle(double width, double height) : width(width), height(height) {}
 
    double getArea() const override {
        return width * height;
    }
 
    double getPerimeter() const override {
        return 2 * (width + height);
    }
};
 
int main() {
    Shape* circle = new Circle(5);
    Shape* rectangle = new Rectangle(4, 6);
 
    cout << "Circle Area: " << circle->getArea() << endl; // 输出：Circle Area: 78.5
    cout << "Circle Perimeter: " << circle->getPerimeter() << endl; // 输出：Circle Perimeter: 31.4
 
    cout << "Rectangle Area: " << rectangle->getArea() << endl; // 输出：Rectangle Area: 24
    cout << "Rectangle Perimeter: " << rectangle->getPerimeter() << endl; // 输出：Rectangle Perimeter: 20
 
    delete circle;
    delete rectangle;
 
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个接口 Shape，它包含了两个纯虚函数 getArea() 和 getPerimeter()。然后我们定义了两个实现了 Shape 接口的抽象类 Circle 和 Rectangle。这两个类分别实现了接口中的两个纯虚函数。

在主函数中，我们创建了一个 Circle 对象和一个 Rectangle 对象，并通过 Shape 指针来调用它们的 getArea() 和 getPerimeter() 函数。由于 Shape 是一个接口，可以将 Circle 和 Rectangle 对象都归类为 Shape 类型，从而实现了多态性。

总结

抽象类和接口都是用于实现多态性的重要概念，它们的区别在于：

• 抽象类可以包含数据成员和非虚函数，而接口只包含纯虚函数和静态常量。
• 抽象类可以作为其他类的基类来使用，而接口只能被其他类实现。
• 抽象类中的纯虚函数可以有实现体，而接口中的纯虚函数没有实现体。

接口是一种定义了一组方法的抽象类，它只包含函数的声明。接口可以通过抽象类来实现，抽象类是一个包含纯虚函数的类，它定义了接口规范。通过接口和抽象类，可以实现多态性，将不同的类归类为同一类型，并使用统一的接口来操作这些对象。

总之，抽象和接口是面向对象编程中非常重要的概念，它们可以帮助我们实现代码的可重用性、可扩展性和可维护性。抽象和接口的使用可以让我们更好地设计和组织代码，从而提高代码的质量和效率。