15-抽象基类

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13.6　抽象基类

至此，介绍了简单继承和较复杂的多态继承。接下来更为复杂的是抽象基类（abstract base class，ABC）。我们来看一些可使用ABC的编程情况。

有时候，使用is-a规则并不是看上去的那样简单。例如，假设您正在开发一个图形程序，该程序会显示圆和椭圆等。圆是椭圆的一个特殊情况——长轴和短轴等长的椭圆。因此，所有的圆都是椭圆，可以从Ellipse类派生出Circle类。但涉及到细节时，将发现很多问题。

首先考虑Ellipse类包含的内容。数据成员可以包括椭圆中心的坐标、半长轴（长轴的一半）、短半轴（短轴的一半）以及方向角（水平坐标轴与长轴之间的角度）。另外，还可以包括一些移动椭圆、返回椭圆面积、旋转椭圆以及缩放长半轴和短半轴的方法：

class Ellipse
{
private:
    double x;     // x-coordinate of the ellipse's center
    double y;     // y-coordinate of the ellipse's center
    double a;     // semimajor axis
    double b;     // semiminor axis
    double angle; // orientation angle in degrees
    ...
public:
    ...
    void Move(int nx, int ny) { x = nx; y = ny; }
    virtual double Area() const { return 3.14159 * a * b; }
    virtual void Rotate(double nang) { angle += nang; }
    virtual void Scale(double sa, double sb) { a *= sa; b *= sb; }
    ...
};

现在假设从Ellipse类派生出一个Circle类：

class Circle : public Ellipse
{
    ...
};

虽然圆是一种椭圆，但是这种派生是笨拙的。例如，圆只需要一个值（半径）就可以描述大小和形状，并不需要有长半轴（a）和短半轴（b）。Circle构造函数可以通过将同一个值赋给成员a和b来照顾这种情况，但将导致信息冗余。angle参数和Rotate()方法对圆来说没有实际意义；而Scale()方法（顾名思义）会将两个轴作不同的缩放，将圆变成椭圆。可以使用一些技巧来修正这些问题，例如在Circle类中的私有部分包含重新定义的Rotate()方法，使Rotate()不能以公有方式用于圆。但总的来说，不使用继承，直接定义Circle类更简单：

class Circle  // no inheritance
{
private:
    double x; // x-coordinate of the circle's center
    double y; // y-coordinate of the circle's center
    double r; // radius
    ...
public:
    ...
    void Move(int nx, ny) { x = nx; y = ny; }
    double Area() const { return 3.14159 * r * r; }
    void Scale(double sr) { r *= sr; }
    ...
};

现在，类只包含所需的成员。但这种解决方法的效率也不高。Circle和Ellipse类有很多共同点，将它们分别定义则忽略了这一事实。

还有一种解决方法，即从Ellipse和Circle类中抽象出它们的共性，将这些特性放到一个ABC中。然后从该ABC派生出Circle和Ellipse类。这样，便可以使用基类指针数组同时管理Circle和Ellipse对象，即可以使用多态方法）。在这个例子中，这两个类的共同点是中心坐标、Move()方法（对于这两个类是相同的）和Area()方法（对于这两个类来说，是不同的）。确实，甚至不能在ABC中实现Area()方法，因为它没有包含必要的数据成员。C++通过使用纯虚函数（pure virtual function）提供未实现的函数。纯虚函数声明的结尾处为=0，参见Area()方法：

class BaseEllipse // abstract base class
{
private:
    double x;     // x-coordinate of center
    double y;     // y-coordinate of center
    ...
public:
    BaseEllipse(double x0 = 0, double y0 = 0) : x(x0),y(y0) {}
    virtual ~BaseEllipse() {}
    void Move(int nx, ny) { x = nx; y = ny; }
    virtual double Area() const = 0; // a pure virtual function
    ...
}

当类声明中包含纯虚函数时，则不能创建该类的对象。这里的理念是，包含纯虚函数的类只用作基类。要成为真正的ABC，必须至少包含一个纯虚函数。原型中的=0使虚函数成为纯虚函数。这里的方法Area()没有定义，但C++甚至允许纯虚函数有定义。例如，也许所有的基类方法都与Move()一样，可以在基类中进行定义，但您仍需要将这个类声明为抽象的。在这种情况下，可以将原型声明为虚的：

void Move(int nx, ny) = 0;

这将使基类成为抽象的，但您仍可以在实现文件中提供方法的定义：

void BaseEllipse::Move(int nx, ny) { x = nx; y = ny; }

总之，在原型中使用=0指出类是一个抽象基类，在类中可以不定义该函数。

现在，可以从BaseEllipse类派生出Ellipse类和Circle类，添加所需的成员来完成每个类。需要注意的一点是，Circle类总是表示圆，而Ellipse类总是表示椭圆——也可以是圆。然而，Ellipse类圆可被重新缩放为非圆，而Circle类圆必须始终为圆。

使用这些类的程序将能够创建Ellipse对象和Circle对象，但是不能创建BaseEllipse对象。由于Circle和Ellipse对象的基类相同，因此可以用BaseEllipse指针数组同时管理这两种对象。像Circle和Ellipse这样的类有时被称为具体（concrete）类，这表示可以创建这些类型的对象。

总之，ABC描述的是至少使用一个纯虚函数的接口，从ABC派生出的类将根据派生类的具体特征，使用常规虚函数来实现这种接口。

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