面试题：C++非虚函数声明与继承体系中的规则考量

Question

设计一个继承体系，基类`Animal`有一个非虚函数`makeSound`，两个派生类`Dog`和`Cat`继承自`Animal`。在派生类中，根据非虚函数声明的规则，`makeSound`函数应该如何处理？请编写完整代码，并解释为什么这样设计，同时说明如果违反相关规则可能会导致什么问题。

Answer 1

#include <iostream>

class Animal {
public:
    void makeSound() {
        std::cout << "Animal makes a sound." << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // 按照非虚函数规则，这里不重写基类的makeSound函数
    // 如果要改变行为，可在派生类中新增函数
    void bark() {
        std::cout << "Dog barks." << std::endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    // 同理，这里也不重写基类的makeSound函数
    // 若有不同行为，新增函数
    void meow() {
        std::cout << "Cat meows." << std::endl;
    }
};

解释

1. 非虚函数规则：非虚函数在派生类中不应该被重写。因为非虚函数的行为是由对象的静态类型决定的，而不是动态类型。这意味着，无论对象的实际类型是什么，只要它的静态类型是基类类型，调用的就是基类的非虚函数。
2. 设计理由：如果在派生类中重写非虚函数，会破坏这种静态绑定的特性，导致程序的行为不符合预期。例如，如果一个函数接收Animal类型的参数并调用makeSound，无论传入的是Dog还是Cat对象，调用的都应该是Animal类的makeSound函数，以保证一致性。

违反规则的问题

1. 行为混淆：如果在Dog或Cat中重写makeSound，当通过Animal类型的指针或引用调用makeSound时，可能会期望调用Animal的makeSound，但实际上调用的是派生类重写的版本，导致行为不可预测。
2. 维护困难：破坏了继承体系中关于非虚函数的设计原则，使得代码的理解和维护变得更加困难，尤其是在大型项目中。

int main() {
    Animal animal;
    Dog dog;
    Cat cat;

    animal.makeSound();
    dog.makeSound();
    dog.bark();
    cat.makeSound();
    cat.meow();

    return 0;
}

在main函数中可以看到，通过不同类型的对象调用makeSound函数，遵循了非虚函数的静态绑定规则。同时，通过调用派生类新增的函数展示不同的行为。