王牌飞行员带你彻底搞懂C++的虚函数和纯虚函数

首先，我们要搞清楚女神的所作所为，即语法规范。然后再去探究她背后的逻辑道理。她的语法说来也不复杂，概括起来就这么几条：

1.在类成员方法的声明（不是定义）语句前面加个单词：virtual，她就会摇身一变成为虚函数；
　　2.在虚函数的声明语句末尾中加个 =0 ，她就会摇身一变成为纯虚函数；
　　3.子类可以重新定义基类的虚函数，我们把这个行为称之为复写（override）；
　　4.不管是虚函数还是纯虚函数，基类都可以为他们提供实现（implementation），如果有的话子类可以调用基类的这些实现；
　　5.子类可自主选择是否要提供一份属于自己的个性化虚函数实现；
　　6.子类必须提供一份属于自己的个性化纯虚函数实现。

纯虚函数
在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。而针对每种动物的方法又有所不同，此时需要使用多态特性，也就需要在基类中定义虚函数。
纯虚函数是在基类中声明的虚函数，它要求任何派生类都要定义自己的实现方法，以实现多态性。实现了纯虚函数的子类，该纯虚函数在子类中就变成了虚函数。
定义纯虚函数是为了实现一个接口，用来规范派生类的行为，也即规范继承这个类的程序员必须实现这个函数。派生类仅仅只是继承函数的接口。纯虚函数的意义在于，让所有的类对象（主要是派生类对象）都可以执行纯虚函数的动作，但基类无法为纯虚函数提供一个合理的缺省实现。所以类纯虚函数的声明就是在告诉子类的设计者，“你必须提供一个纯虚函数的实现，但我不知道你会怎样实现它”。
含有纯虚函数的类称之为抽象类，它不能生成对象（创建实例），只能创建它的派生类的实例。抽象类是一种特殊的类，它是为了抽象和设计的目的为建立的，它处于继承层次结构的较上层。抽象类的主要作用是将有关的操作作为结果接口组织在一个继承层次结构中，由它来为派生类提供一个公共的根，派生类将具体实现在其基类中作为接口的操作。
抽象类只能作为基类来使用，其纯虚函数的实现由派生类给出。如果派生类中没有重新定义纯虚函数，而只是继承基类的纯虚函数，则这个派生类仍然还是一个抽象类。如果派生类中给出了基类纯虚函数的实现，则该派生类就不再是抽象类了，它是一个可以建立对象的具体的类。
虚函数 vs 纯虚函数，如何选用？
1. 当基类中的某个成员方法，在大多数情形下都应该由子类提供个性化实现，但基类也可以提供缺省备选方案的时候，该方法应该设计为虚函数。
2. 当基类中的某个成员方法，必须由子类提供个性化实现的时候，应该设计为纯虚函数。

首先，飞行器。由于我们假设所有的飞行器都有两种行为：加油和飞行。因此我们可以将这两种行为抽象到一个基类中，并由它来派生具体的某款飞行器。

 // 这是一个描述飞行器的基类，提供了两个基本的功能：加油和飞行。class aircraft {virtual void refuel();  // 加燃油，普通虚函数virtual void fly()=0;   // 飞行，纯虚函数};

 // 这是一个普通虚函数，意味着基类希望子类提供自己的个性化实现代码，但基类// 同时也提供一个缺省的虚函数实现版本，在子类不复写该虚函数的情况下作为备选方案。void aircraft::refuel() {// 加通用型燃油std::cout << "加通用燃油" << std::endl;}

 // 这是一个纯虚函数，意味着基类强制子类必须提供自己的个性化版本，否则编译将失败。void aircraft::fly() {// 一种不应该被使用的缺省飞行方案std::cout << "一种不应该被使用的缺省飞行方案" << std::endl;}

但让人惊奇的是，C++仍然保留了基类提供该纯虚函数代码实现的权利，这也许是给千变万化的实际情况留下后路。

有了基类aircraft，我们就可以潇洒地派生出各式各样的飞行器了，比如轰炸机和直升机：

  // 轰炸机类定义，复写了加油和飞行class bomber : public aircraft {void refuel() {}  // 加轰炸机的特殊燃油void fly() {}     // 轰炸机实弹飞行};// 直升机类定义，复写了飞行代码，但没有复写加油class copter : public aircraft {void fly() {}  // 直升机盘旋};

以上代码可以看到，直升机类（copter）没有自己的加油方式，直接使用了基类提供的缺省加油的方式。此时我们来定义一个能驾驭多机型的王牌飞行员类：

 // 一个能驾驶各种飞行器的王牌飞行员class pilot {void refuelPlane(aircraft *p);void dirvePlane(aircraft *p);};

// 给我什么飞机我就加什么油void pilot::refuelPlane(aircraft *p) {p->refuel();}// 给我什么飞机我就怎么飞void pilot::dirvePlane(aircraft *p) {p->fly();}

很明显，我们接下来要给这位很浪的飞行员表演一下操纵各种飞行器的机会，我们来定义各种飞机然后丢给他去处理。

 // 定义两架飞机，一架轰6K，一架武直10aircraft *H6K = new bomber;aircraft *WZ10 = new copter;// 来一个王牌飞行员，给H6K加油（加的是轰炸机特殊燃油），并且按照H6K的特点飞行pilot Jack;Jack.refuelPlane(H6K);  // 加轰炸机燃油Jack.flyPlane(H6K);     // 轰炸机实弹飞行// 给WZ10加油（加的是基类提供的通用燃油），按照WZ10的特点飞行Jack.refuelPlane(WZ10);  // 加通用型燃油Jack.flyPlane(WZ10);     // 直升机盘旋

上述代码体现了最经典的所谓多态的场景，给Jack不同的飞机，就能表现不同的结果。虚函数和纯虚函数都能做到这一点，区别是，子类如果不提供虚函数的实现，那就会自动调用基类的缺省方案。而子类如果不提供纯虚函数的实现，则编译将会失败。基类提供的纯虚函数实现版本，无法通过指向子类对象的基类类型指针或引用来调用，因此不能作为子类相应虚函数的备选方案。

下面给出总结：

1.当基类的某个成员方法，在大多数情形下都应该由子类提供个性化实现，但基类也可以提供一个备选方案的时候，请将其设计为虚函数。例如飞行器的加油动作，每种不同的飞行器原则上都应该有自己的个性化的加充燃油的方式，但也不免可以有一种通用的燃油加充方式；
　　2.当基类的某个成员方法，必须由子类提供个性化实现的时候，请将其设计为纯虚函数。例如飞行器的飞行动作，逻辑上每种飞行器都必须提供为其特殊设计的个性化飞行行为，而不应该有任何一种"通用的飞行方式"；
　　3.使用一个基类类型的指针或者引用，来指向子类对象，进而调用经由子类复写了的个性化的虚函数，这是C++实现多态性的一个最经典的场景；
　　4.基类提供的纯虚函数的实现版本，并非为了多态性考虑，因为指向子类对象的基类指针和引用无法调用该版本。纯虚函数在基类中的实现跟多态性无关，它只是提供了一种语法上的便利，在变化多端的应用场景中留有后路；
　　5.虚函数和普通的函数实际上是存储在不同的区域的，虚函数所在的区域是可被覆盖（也称复写override）的，每当子类定义相同名称的虚函数时就将原来基类的版本给覆盖了，另一侧面也说明了为什么基类中声明的虚函数在后代类中不需要另加声明一律自动为虚函数，因为它所存储的位置不会发生改变。而普通函数的存储区域不会覆盖，每个类都有自己独立的区域互不相干。