面试题：C++纯虚函数在接口设计中的基本应用

Question

请解释在C++中纯虚函数的定义和作用。假设你正在设计一个图形接口类 `Shape`，要求所有派生类必须实现 `draw` 方法来绘制自身，使用纯虚函数来设计这个 `Shape` 类，并说明这样设计如何体现接口设计的思想。

Answer 1

纯虚函数的定义

在C++ 中，纯虚函数是一种在基类中声明的虚函数，它没有具体的实现，在声明时通过 = 0 来标识。

纯虚函数的作用

1. 定义接口：为派生类提供一个统一的接口，要求派生类必须实现该函数，以确保所有派生类都具有某种特定的行为。
2. 抽象基类：包含纯虚函数的类被称为抽象基类，抽象基类不能被实例化，它主要用于为派生类提供一个通用的框架，强制派生类遵循特定的设计规范。

Shape 类的设计

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        // 具体的绘制圆形的代码
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        // 具体的绘制矩形的代码
    }
};

体现接口设计思想

1. 统一规范：通过在 Shape 类中定义纯虚函数 draw，为所有派生类（如 Circle 和 Rectangle）规定了必须实现的接口。这使得所有形状类都具有一致的绘制方法，调用者可以统一地使用 draw 方法来绘制不同形状，而无需关心具体的形状类型。
2. 多态性：纯虚函数与虚函数机制配合，实现了运行时多态。调用者可以通过指向 Shape 基类的指针或引用调用 draw 方法，程序会根据实际对象的类型来调用相应派生类的 draw 实现。这体现了接口与实现的分离，提高了代码的可扩展性和可维护性。
3. 抽象基类：Shape 类作为抽象基类，不能被实例化，它的存在仅仅是为了定义接口，这种设计方式强调了接口的抽象性和规范性，使得派生类专注于实现具体的功能，符合接口设计的思想。