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C++笔记（面向对象）虚析构函数纯虚函数抽象类 final、override关键字

news 2025/11/2 11:51:29

为什么构造函数不可以是虚函数呢？

虚函数调用只需要 “部分的” 信息，即只需要知道函数接口，而不需要对对象的具体类型。但是构建一个对象，却必须知道具体的类型信息。如果你调用一个虚构造函数，编译器怎么知道你想构建是继承树上的哪种类型呢？所以构造函数不能为虚。

构造函数的用途：1）创建对象，2）初始化对象中的属性，3）类型转换。
在类中定义了虚函数就会有一个虚函数表（vftable），对象模型中就含有一个指向虚表的指针（_vfptr）。在定义对象时构造函数设置虚表指针指向虚函数表。
使用指针和引用调用虚函数，在编译只需要知道函数接口，运行时指向具体对象，才能关联具体对象的虚方法（通过虚函数指针查虚函数表得到具体对象中的虚方法）
构造函数是类的一个特殊的成员函数：1）定义对象由系统自动调用构造函数，对象自己是不可以调用构造函数；2）构造函数的调用属于静态联编，在编译时必须知道具体的类型信息。
如果构造函数可以定义为虚构造函数，使用指针调用虚构造函数，如果编译器采用静态联编，构造函数就不能为虚函数。如果采用动态联编，运行时指针指向具体对象，使用指针调用构造函数，相当于已经实例化的对象在调用构造函数，这是不容许的调用，对象的构造函数只执行一次。
如果指针可以调用虚构造函数，通过查虚函数表，调动虚构造函数，那么，当指针为 nullptr，如何查虚函数表呢？
构造函数的调用是在编译时确定，如果是虚构造函数，编译器怎么知道你想构建是继承树上的哪种类型呢？总结：构造函数不允许是虚函数。

就是为每一个要构建的类型再创建一个对应的 factory，把问题放到 factory 的 make 方法中去解决。这也是 C++ 中的通用解决方案。

虚析构函数：析构函数是类的一个特殊的成员函数：

1）当一个对象的生命周期结束时，系统会自动调用析构函数注销该对象并进行善后工作，对象自身也可以调用析构函数；

2）析构函数的善后工作是：释放对象在生命期内获得的资源（如动态分配的内存，内核资源）；3）析构函数也用来执行对象即将被撤销之前的任何操作。

根据赋值兼容规则，可以用基类的指针指向派生类对象，如果使用基类型指针指向动态创建的派生类对象，由该基类指针撤销派生类对象，则必须将析构函数定义为虚函数，实现多态性，自动调用派生类析构函数，否则可能存在内存泄漏问题。总结：在实现运行时的多态，无论其他程序员怎样调用析构函数都必须保证不出错，所以必须把析构函数定义为虚函数。

注意：类中没有虚函数，就不要把析构函数定义为虚。

1. 虚析构函数 (Virtual Destructor)

为什么要用虚析构函数？

问题场景：

cpp

Base* ptr = new Derived();
delete ptr;  // 如果析构函数不是虚的，只会调用Base的析构函数！

后果：

派生类的析构函数不被调用
派生类中分配的资源无法释放 → 内存泄漏
其他清理工作无法执行

解决方案：

cpp

class Base {
public:virtual ~Base() = default;  // 虚析构函数
};

工作原理：

通过虚函数表(vtable)实现多态析构
delete ptr时，通过vptr找到实际的析构函数地址
先调用派生类析构函数，再自动调用基类析构函数

重要规则：

任何可能被继承的类都应该有虚析构函数
如果类有虚函数，它必须有虚析构函数
STL容器存储多态对象时，必须用虚析构函数

2. 纯虚函数 (Pure Virtual Function)

定义和语法：

cpp

virtual 返回类型 函数名(参数) = 0;

特点：

只有声明，没有实现（在基类中不提供函数体）
使类成为抽象类
派生类必须实现所有纯虚函数才能实例化

示例：

cpp

class Drawable {
public:virtual void draw() const = 0;  // 纯虚函数virtual ~Drawable() = default;
};

特殊 case：纯虚析构函数

cpp

class AbstractBase {
public:virtual ~AbstractBase() = 0;  // 纯虚析构函数
};
// 但必须提供实现！
AbstractBase::~AbstractBase() {}

3. 抽象类 (Abstract Class)

定义：

包含至少一个纯虚函数的类

特性：

❌ 不能实例化：AbstractClass obj; // 编译错误
✅ 可以定义指针和引用
✅ 可以有构造函数和析构函数
✅ 可以包含数据成员和普通成员函数
✅ 派生类必须实现所有纯虚函数才能实例化

使用场景：

定义接口规范
提供部分实现（模板方法模式）
阻止实例化

示例：

cpp

class Animal {  // 抽象类
public:virtual void speak() const = 0;  // 纯虚函数virtual void eat() = 0;          // 纯虚函数// 普通函数void sleep() { cout << "Sleeping..." << endl; }virtual ~Animal() = default;
};

4. final 关键字 (C++11)

两种用法：

1. 用于类：禁止继承

cpp

class Base final {  // 这个类不能被继承// ...
};
// class Derived : public Base { };  // 错误！编译失败

使用场景：

工具类、工具函数集合
性能敏感，避免虚函数开销
设计上不应该被扩展的类

2. 用于虚函数：禁止重写

cpp

class Base {
public:virtual void func() final {  // 派生类不能重写这个函数// 实现}
};class Derived : public Base {// void func() override { }  // 错误！编译失败
};

使用场景：

基类中的关键算法，不允许修改
模板方法模式中的固定步骤

5. override 关键字 (C++11)

为什么要用 override？

问题： 意外的函数隐藏

cpp

class Base {
public:virtual void func(int x) { }
};class Derived : public Base {
public:virtual void func(double x) { }  // 本想重写，实际是隐藏！
};

解决方案：

cpp

class Derived : public Base {
public:void func(int x) override { }  // 明确表示要重写
};

override 的好处：

编译器检查：确保函数签名与基类完全匹配
代码清晰：明确表达设计意图
防止错误：避免拼写错误、参数类型错误等
便于维护：让阅读者立即知道这是重写函数

使用规则：

只能用于虚函数重写
函数签名必须与基类完全一致（包括const、引用限定符等）

6. 完整设计示例

良好的类层次设计：

cpp

// 抽象基类：定义接口
class Shape {
public:// 纯虚函数：接口规范virtual double area() const = 0;virtual double perimeter() const = 0;virtual void draw() const = 0;// 普通虚函数：有默认实现virtual void scale(double factor) {// 默认实现}// 虚析构函数：必须！virtual ~Shape() = default;// 普通成员函数void printInfo() const {cout << "Area: " << area() << ", Perimeter: " << perimeter() << endl;}
};// 具体实现类
class Circle final : public Shape {  // final：不允许进一步继承
private:double radius;
public:// 必须实现所有纯虚函数double area() const override {return 3.14159 * radius * radius;}double perimeter() const override {return 2 * 3.14159 * radius;}void draw() const override {cout << "Drawing Circle" << endl;}// 重写普通虚函数void scale(double factor) override {radius *= factor;}
};

7. 综合对比表格

特性	虚析构函数	纯虚函数	抽象类	final	override
作用	安全的多态删除	定义接口	不能实例化的基类	禁止继承/重写	明确重写意图
语法	`virtual ~Class()`	`virtual func() = 0`	含纯虚函数	`class A final` 或 `virtual func() final`	`void func() override`
强制性	强烈推荐	派生类必须实现	不能实例化	编译时强制	编译时检查
使用场景	所有基类	接口定义	接口、部分实现	工具类、关键方法	所有虚函数重写