C++ 核心特性深度解析：繼承、多態與異常處理

面向對象程式設計：繼承機制詳解

繼承是 C++ 實現程式碼重用的核心機制之一。當定義新類別時，若想重用既有類別的功能，即可透過繼承實現。語法形式為 class NewClass : public OldClass { /* 新增成員 */ };。子類別將繼承父類別的所有成員（包含私有、保護、公開），但私有成員在子類別中無法直接存取。繼承方式分為 public、private、protected 三種，實務上以 public 最為常見，因能保持成員原有的存取層級。

繼承的關鍵特性

• 建構與解構順序：建構子優先呼叫父類別建構子，再依宣告順序初始化成員物件，最後執行自身建構子本體。解構順序恰好相反。若父類別建構子需參數，必須在子類別初始化清單中以父類別名稱指定。
• 成員函式隱藏：子類別定義的同名函式會隱藏父類別的所有同名函式（無論參數表是否相同），不構成多載。若需呼叫父類別版本，必須以 BaseClass::func() 明確指定。
• 多重繼承：一個類別可繼承多個父類別，各父類別可指定不同繼承方式。建構子呼叫順序依繼承宣告順序，與初始化清單順序無關。
• 虛擬繼承：解決鑽石繼承問題。當多條繼承路徑指向同一基底類別時，在中間類別繼承時加上 virtual 關鍵字，可確保最終衍生類別僅保留一份虛擬基底類別的成員。虛擬基底類別的建構子由最底層的衍生類別直接初始化。

多態：動態綁定的核心機制

多態指「一個介面，多種實現」。透過基底類別指標或參考指向衍生類別物件，呼叫虛擬函式時，系統依物件實際類型決定呼叫哪個版本，實現執行期綁定。

虛擬函式與虛擬函式表

以 virtual 宣告的函式為虛擬函式。編譯器為每個含虛擬函式的類別建立虛擬函式表（vtable），儲存虛擬函式位址。每個物件內含一指標（vptr）指向其類別的 vtable，使物件大小增加 4 位元組（32 位元系統）。衍生類別覆寫虛擬函式時，函式名稱、參數表、回傳型別必須一致（回傳型別允許共變）。

執行期型別識別（RTTI）

• dynamic_cast：安全向下轉型。dynamic_cast<Derived*>(base_ptr) 成功回傳衍生類別指標，失敗回傳 nullptr；參考版本失敗拋出 bad_cast 異常。要求類別具有虛擬函式。
• typeid：回傳 type_info 參考，可比較型別相等性，name() 回傳型別名稱（編譯器相依）。若類別有虛擬函式，typeid 亦利用多態識別動態型別。

純虛擬函式與抽象類別

以 = 0 取代函式本體的虛擬函式稱為純虛擬函式。含純虛擬函式的類別為抽象類別，無法直接實例化物件，僅能作為基底類別，由衍生類別實作純虛擬函式後才能建立物件。利用多態時，必須透過基底類別指標或參考操作衍生類別物件，而非建立基底類別物件。

虛擬解構子

透過基底類別指標 delete 衍生類別物件時，若基底類別解構子非虛擬，僅呼叫基底解構子導致資源洩漏。故基底類別解構子應宣告為 virtual，確保正確呼叫衍生類別解構子。解構子可為純虛擬，但必須提供定義；建構子不可為虛擬。

標準字串類別 std::string

定義於 <string>，提供豐富操作介面：

• 建構：string(const string&)、string(const char*)、string(size_t n, char c)。
• 運算子：<<、>>、=、+、+=、[]、at()、比較運算子。
• 長度與容量：size()、length()、empty()、resize()。
• C 風格轉換：c_str()（保證以 \0 結尾）、data()（不保證）、copy()。
• 子字串、追加、查找、刪除、取代、插入：substr()、append()、find()/rfind()、find_first_of() 等、erase()、replace()、insert()。
• 行輸入：getline(cin, str) 安全讀取整行，避免緩衝區溢位。

異常處理機制

異常處理提供結構化錯誤處理流程，優於傳統錯誤碼或 errno。

基本語法

try {
    // 可能拋出異常的程式碼
    throw exception_object;
} catch (ExceptionType1& e) {
    // 處理 ExceptionType1
} catch (ExceptionType2& e) {
    // 處理 ExceptionType2
} catch (...) {
    // 捕獲所有其他異常
}

關鍵特性

• 異常傳遞：拋出後離開正常流程，尋找最近的匹配 catch 區塊。若當前函式無匹配，向呼叫者傳遞，直到 main，若仍未處理則呼叫 terminate() 終止程式。
• 重新拋出：在 catch 區塊中以 throw; 重新拋出當前異常。
• 捕獲順序：衍生類別型別必須置於基底類別之前；catch(...) 必須置最後。
• 異常規格：函式宣告可附加 throw(TypeList) 限制拋出型別。違反規格觸發 unexpected()，可由 set_unexpected() 設定處理函式。
• 標準異常體系：以 std::exception 為基底，定義於 <exception>。自訂異常類別建議繼承 std::exception 並覆寫 what() 回傳錯誤描述。

輸入輸出串流（I/O Streams）

C++ I/O 架構以類別階層組織，核心類別包含：

• ios：基底類別，管理格式旗標、錯誤狀態。
• istream / ostream / iostream：輸入、輸出、雙向串流。
• ifstream / ofstream / fstream：檔案串流。
• istringstream / ostringstream / stringstream：字串串流，支援字串與數值互轉。
• 預定義物件：cin、cout、cerr（不緩衝錯誤輸出）、clog（緩衝記錄輸出）。

格式化與非格式化操作

格式化輸入（>>）自動轉換字元為數值；非格式化輸入（get()、getline()、read()）保持原始位元組。輸出同理。格式控制可用操縱子（hex、setw()、setprecision() 等）或成員函式（setf()、width()、fill()、precision()）。

錯誤狀態與檔案定位

• 狀態旗標：good()、eof()、fail()、bad()。串流物件可隱式轉為 bool 判斷狀態。
• clear() 僅重設錯誤旗標，不清除緩衝區內容；需配合 ignore() 捨棄字元。
• 檔案定位：seekg()/seekp() 移動讀/寫位置，支援相對開頭、目前位置、檔案末尾。
• 二進制讀寫：read()/write() 直接搬移記憶體區塊。

字串與檔案串流範例

// 字串串流轉換
#include <sstream>
std::string s = "123 4.56";
std::istringstream iss(s);
int a; double b;
iss >> a >> b;

// 檔案串流
#include <fstream>
std::ofstream fout("data.txt", std::ios::out | std::ios::app);
fout << "Hello" << std::endl;
std::ifstream fin("data.txt");
std::string line;
while (std::getline(fin, line)) { /* ... */ }