C++ 純虛函數與抽象基類深度解析

前言

在 C++ 物件導向設計中，純虛函數與抽象基類是實現介面導向程式設計、達成多型與解耦的核心機制。本文將詳細說明其語法、語意、限制與實務應用。

一、什麼是純虛函數

純虛函數是在基類中宣告但不提供定義（實作）的虛函數，語法為在函數宣告尾端加上 = 0。

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;  // 純虛函數
    virtual ~Shape() = default; // 虛擬解構子
};

關鍵特性：

• 僅宣告，不定義函數主體
• 強制衍生類別必須覆寫（除非衍生類別也是抽象類別）
• 可選擇性提供定義（較少見，供衍生類別呼叫）

二、抽象基類

包含至少一個純虛函數的類別即為抽象基類。其特性：

• 無法實例化物件（Shape s; 編譯錯誤）
• 僅能作為基類被繼承
• 可定義指標/參考指向衍生類別物件，實現多型

三、虛函數與純虛函數的差異

四、程式碼範例

/* CppPrimer.cpp
 * Created on: 2013.11.12
 * Author: Caroline
 * Compiler: eclipse cdt
 */
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 抽象基類
class Animal {
public:
    virtual void speak() = 0;  // 純虛函數
    virtual ~Animal() = default;
};

// 具體衍生類別
class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override { cout << "汪汪!" << endl; }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void speak() override { cout << "喵~" << endl; }
};

void makeSound(Animal& a) {
    a.speak();  // 多型呼叫
}

int main() {
    Dog dog;
    Cat cat;
    makeSound(dog);  // 輸出：汪汪!
    makeSound(cat);  // 輸出：喵~
    // Animal a;     // 編譯錯誤：抽象類別無法實例化
    return 0;
}

五、進階主題

1. 純虛函數提供定義

雖然罕見，但純虛函數可以有定義，通常用於基類預設行為供衍生類別呼叫：

class Base {
    virtual void init() = 0;
};
void Base::init() {  // 提供定義
    cout << "Base initialization" << endl;
}
class Derived : public Base {
    void init() override { Base::init(); cout << "Derived init" << endl; }
};

2. 純虛解構子

基類解構子應宣告為虛擬，若為純虛則必須提供定義：

class Base {
    virtual ~Base() = 0;  // 純虛解構子
};
Base::~Base() {}  // 必須提供定義

六、設計準則

• 介面類別應只包含純虛函數與虛擬解構子
• 避免在建構子/解構子中呼叫虛函數（靜態繫結）
• 使用 override (C++11) 明確表達覆寫意圖
• 優先使用組合而非繼承，必要時才使用抽象基類

七、總結

純虛函數定義了「契約」，抽象基類提供了「介面」。兩者結合讓 C++ 支援介面導向設計，實現執行期多型，是建構可擴充、低耦合系統的基石。