C++ 虛函數與抽象基類完整實戰範例：幾何圖形體系

本文透過一個完整的幾何圖形類別體系，深度演示虛函數、純虛函數、抽象基類、動態綁定與多型的核心機制與實際應用。

類別階層設計

Shape (抽象基類)
  ├─ Point (點)
  │    └─ Circle (圓)
  │         └─ Cylinder (圓柱體)

關鍵代碼片段

1. 抽象基類 Shape

class Shape {
public:
    virtual float area() const { return 0.0; }
    virtual float volume() const { return 0.0; }
    virtual void shapeName() const = 0;  // 純虛函數，強制衍生類實現
};

2. Point：實作 shapeName，繼承 area/volume 預設值

class Point : public Shape {
public:
    Point(float x=0, float y=0) : x(x), y(y) {}
    virtual void shapeName() const { std::cout << "Point:"; }
    float getX() const { return x; }
    float getY() const { return y; }
protected:
    float x, y;
};

3. Circle：覆寫 area，新增 radius

class Circle : public Point {
public:
    Circle(float x=0, float y=0, float r=0) : Point(x,y), radius(r) {}
    virtual float area() const { return 3.14159f * radius * radius; }
    virtual void shapeName() const { std::cout << "Circle:"; }
    float getRadius() const { return radius; }
protected:
    float radius;
};

4. Cylinder：覆寫 area 與 volume，新增 height

class Cylinder : public Circle {
public:
    Cylinder(float x=0, float y=0, float r=0, float h=0) 
        : Circle(x,y,r), height(h) {}
    virtual float area() const { 
        return 2*Circle::area() + 2*3.14159f*radius*height; 
    }
    virtual float volume() const { return Circle::area() * height; }
    virtual void shapeName() const { std::cout << "Cylinder:"; }
protected:
    float height;
};

主程式：靜態 vs 動態綁定對比

int main() {
    Point pt(3.2, 4.5);
    Circle cir(2.4, 1.2, 5.6);
    Cylinder cyl(3.5, 6.4, 5.2, 10.5);

    // 靜態綁定：直接呼叫
    pt.shapeName();  std::cout << pt << std::endl;
    cir.shapeName(); std::cout << cir << std::endl;
    cyl.shapeName(); std::cout << cyl << std::endl;

    // 動態綁定：基類指標指向衍生物件
    Shape* p = &pt;
    p->shapeName();  // 輸出 Point:
    std::cout << "area=" << p->area() << ", volume=" << p->volume() << std::endl;

    p = &cir;
    p->shapeName();  // 輸出 Circle:
    std::cout << "area=" << p->area() << ", volume=" << p->volume() << std::endl;

    p = &cyl;
    p->shapeName();  // 輸出 Cylinder:
    std::cout << "area=" << p->area() << ", volume=" << p->volume() << std::endl;
}

執行結果摘要

Point:  [3.2,4.5]      area=0      volume=0
Circle: [2.4,1.2], r=5.6  area=98.52  volume=0
Cylinder:[3.5,6.4], r=5.2, h=10.5 area=512.6 volume=891.96

核心結論七點

1. 含純虛函數的類別即為抽象基類，不可實例化。
2. 抽象基類不一定對應現實實體，單純定義介面契約。
3. 類別樹頂層常為抽象基類，集中共性介面。
4. 抽象基類提供統一介面，實現「介面隔離實作」。
5. 區分靜態綁定（編譯期決定）與動態綁定（執行期決定）。
6. 基類宣告 virtual，衍生類同簽名函數自動為 virtual。
7. 虛函數提升擴充性：使用者無需知曉具體類別細節，僅對基類介面程式設計，降低耦合與學習門檻。

此範例完整展示了 C++ 多型的精髓，是掌握物件導向設計的經典教材。