面试题：C++纯虚函数在抽象基类设计与代码可维护性方面的考量

Question

假设你正在设计一个大型软件系统，其中需要使用抽象基类和纯虚函数来构建一个层次化的架构。请说明在这种情况下，如何合理地设计纯虚函数以提高代码的可维护性和扩展性？考虑不同子类可能有不同的实现细节，如何避免在后续代码修改时破坏整个架构的稳定性？

Answer 1

1. 接口定义清晰：
   • 纯虚函数的命名应能准确反映其功能。例如，如果是用于绘制图形的函数，可命名为draw，这样无论对于阅读代码还是后续维护都很直观。
   • 明确输入输出参数的含义。在函数声明的注释中，详细说明每个参数的作用以及返回值的意义。例如：

// 绘制图形，参数x和y为图形的位置坐标，返回值为绘制是否成功
virtual bool draw(int x, int y) const = 0;

2. 适度抽象：
   • 纯虚函数应定义在合适的抽象层次上。例如，在一个图形绘制系统中，在Shape抽象基类中定义draw纯虚函数是合理的，因为所有具体的形状（如Circle、Rectangle等）都需要实现绘制功能。但不应在过于底层或过于高层的抽象类中定义不恰当的纯虚函数。
   • 避免过度抽象导致纯虚函数难以理解和实现。例如，如果定义一个performAction纯虚函数，却没有任何具体的提示关于action的类型和内容，这会让子类实现时感到困惑。
3. 考虑扩展性：
   • 在设计纯虚函数时，要预留扩展的可能性。例如，可以通过增加可选参数的方式来支持未来可能的功能扩展。

// 目前仅使用x和y坐标绘制图形，但预留了颜色参数以备后续扩展
virtual bool draw(int x, int y, const Color& color = defaultColor) const = 0;

• 纯虚函数的设计应考虑到新的子类可能加入系统。例如，如果未来可能会有3DShape子类加入到图形绘制系统，那么draw纯虚函数的设计要能适应三维绘制的需求，比如可以增加z坐标参数等。

4. 稳定性维护：
   • 尽量避免在已经发布或广泛使用的抽象基类中直接修改纯虚函数的接口（参数列表、返回值类型等）。如果确实需要修改，可以采用兼容性的方式。例如，在原纯虚函数基础上重载一个新的函数，新函数使用新的接口，而原函数内部调用新函数并进行参数适配。

class Shape {
public:
    // 旧接口，为保持兼容性保留
    virtual bool draw(int x, int y) const = 0;
    // 新接口，适应新需求
    virtual bool draw(int x, int y, int z) const = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
    bool draw(int x, int y) const override {
        return draw(x, y, 0);
    }
    bool draw(int x, int y, int z) const override {
        // 实际的三维绘制实现
    }
};

• 在抽象基类中提供一些辅助函数或默认实现（非纯虚函数），这些函数可以依赖纯虚函数。这样，当子类实现纯虚函数时，能利用这些辅助函数，同时减少重复代码，并且在修改纯虚函数时，对这些辅助函数的影响相对较小，从而维护架构的稳定性。例如：

class Shape {
public:
    virtual bool isOnScreen(int x, int y) const = 0;
    bool canDraw(int x, int y) const {
        return isOnScreen(x, y);
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    bool isOnScreen(int x, int y) const override {
        // 检查矩形是否在屏幕内的实现
    }
};