C++ 純虛函數與抽象類：定義介面契約、強制派生實現與多態基石

純虛函數語法與語義

virtual 返回型別 函數名(參數列表) = 0;

• = 0 為純虛標記，非返回值
• 無函數體，僅聲明
• 告訴編譯器：「派生類必須實現此函數」

抽象類定義與特性

• 包含至少一個純虛函數的類稱為抽象類
• 無法實例化（不能建構物件）
• 通常作為基類/介面使用
• 派生類必須實現所有繼承的純虛函數才能實例化

實戰：幾何形狀繼承體系

#include <iostream>
using namespace std;

// 抽象基類：線段
class Line {
public:
    Line(float len) : m_len(len) {}
    virtual float area() = 0;      // 純虛：線無面積
    virtual float volume() = 0;    // 純虛：線無體積
protected:
    float m_len;
};

// 矩形：實現 area()
class Rect : public Line {
public:
    Rect(float len, float w) : Line(len), m_width(w) {}
    float area() override { return m_len * m_width; }
protected:
    float m_width;
};

// 長方體：實現 volume()，成為可實例化類
class Cuboid : public Rect {
public:
    Cuboid(float l, float w, float h) : Rect(l, w), m_height(h) {}
    float area() override {
        return 2 * (m_len*m_width + m_len*m_height + m_width*m_height);
    }
    float volume() override { return m_len * m_width * m_height; }
protected:
    float m_height;
};

// 正方體：繼承並可選擇覆寫
class Cube : public Cuboid {
public:
    Cube(float len) : Cuboid(len, len, len) {}
    float area() override { return 6 * m_len * m_len; }
    float volume() override { return m_len * m_len * m_len; }
};

int main() {
    Line* p = new Cuboid(10, 20, 30);
    cout << "Cuboid 面積: " << p->area() << endl;      // 2200
    cout << "Cuboid 體積: " << p->volume() << endl;    // 6000

    p = new Cube(15);
    cout << "Cube 面積: " << p->area() << endl;        // 1350
    cout << "Cube 體積: " << p->volume() << endl;      // 3375
}

關鍵觀察

1. Line 為抽象類，定義介面契約（area()/volume()）
2. Rect 實現 area()，但 volume() 仍為純虛 → Rect 仍為抽象類
3. Cuboid 實現 volume()，所有純虛函數皆有實現 → 首個可實例化類
4. 基類指針 Line* 透過虛函數調用派生類實現 → 多態

純虛函數的雙重核心價值

純虛函數關鍵規則

1. 僅虛函數可聲明為純虛，普通函數/頂層函數不可
2. 抽象類可包含：純虛函數、普通虛函數、非虛函數、成員變數
3. 純虛函數可以有定義（罕見，供派生類Base::func()調用）
4. 構造函數不能為虛函數/純虛；析構函數應為虛函數（非純虛）

現代 C++ 最佳實踐

• 使用 override 關鍵字（C++11）明確標記覆寫，編譯器檢查簽名一致性
• 介面類命名慣例：IPrintable、Drawable 或純抽象類
• 組合優於繼承：純虛介面定義行為契約，具體實現用組合注入
• 避免過度設計：非多態場景無需純虛函數

總結

純虛函數（=0）與抽象類是 C++ 實現介面導向程式設計與運行時多態的核心機制。它們在編譯期強制派生類履行契約，在運行期實現基類指針對派生行為的動態分發。掌握「介面契約」與「多態基石」雙重語義，是設計可擴展、可維護 C++ 系統架構的關鍵。

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