C++中类的分层设计（纯虚函数）

    面向对象设计是一种思想，而C++恰好是一种面向对象的语言，在C++中设计类一般都会采用继承基类（父类），设计派生类（子类），继承和动态绑定的结合就巧妙的实现了实际的问题。但是如何设计出一个强大的类呢？今天在学习了纯虚函数以后，我又觉得分层设计的思想真的是一个非常棒的设计思想。

 

    首先说明一下我只是一个初学者，写出来的东西可能会有错误，说实在的没写过多少代码，但是我认为写代码是一个熟练的过程，一个完成思想的过程。只有有了思想，才能完成好的设计，不断的思考，不断的总结才能学到新学到的东西，才能达到更高的目标。

 

    在C++中虚函数是指将一个类中的虚函数后面加上=0，就说明该虚函数为纯虚函数。一般该函数设置为纯虚函数，那么该函数也就没有再次定义的必要了，因为存在纯虚函数的类就是一个抽象类，是不能够创建对象的，不能创建对象也就不会主动的调用该函数，哪怕在动态绑定的情况下也不会，因此不需要为该函数定义相关的操作，实质上在此处声明只是说明在该派生类中需要重写基类的虚函数，至于是否真的复写，不要去关心。

//存在纯虚函数的类为抽象类
class AbstructClass:public Base
{
public：
    //构造函数
    AbstructClass(...):Base(...),...{}
    //析构函数
    ~AbstructClass(){...}
   //这就是纯虚函数，一般func在基类中就为虚函数，因此virtual也可以不写
    virtual func(...) const = 0;
//保证派生类能够访问数据成员，必须设置为protected
protected:
   //一些数据成员定义
   ...
};

   抽象类的作用主要是帮助完成实际派生类的设计，为什么这么说呢？如果我们只创建一个基类，直接继承基类创建实际的派生类，存在很多的问题，为什么这么说呢？比如说我要创建一个人的类，我们每一个人都是一个人的对象，在人的基类中一般只是包含了人的共性，不可能将某一个人的特殊定义到类中，当然为了继承，肯定也会创建一系列的虚函数。如果我们每一个人都直接从该基类派生，人的个体在世界上有60多亿，我们每一个人实际上就是一个派生类，因为每一个人都不同，都有自己独特的特性（假设是一种数据对象），如果要实现这么多的派生类真的是一个不可想象的，而且我们可以知道很多人（类）实际上存在很多的相似性。

 

    这时我们实际上就可以采用抽象类来帮忙完成我们的设计。抽象类是连接在基类和实际派生类之间的中间类，实际派生类的直接基类是抽象类，也就说说基类是实际派生类的间接基类。在抽象层中主要完成什么操作呢？抽象层中主要完成对派生类共性数据成员的定义，为了方便派生类的数据访问，必须设置为受保护访问权限，创建纯虚函数，定义构造函数，应该在初始化列表中首先创建基类对象，然后才能完成其他成员的初始化，有时候可能需要复制控制函数的实现。

 

    在实际的派生类设计过程中就不再直接从基类继承，而是从抽象类中继承，因为抽象类中增加了一些受保护成员数据，且这些数据成员时派生类的共性，因此派生类中可以很方便的访问。同时在该派生类中就应该完成虚函数的复写操作，因为动态绑定以后会直接调用该版本的虚函数。当然有时候也要完成复制控制函数的定义。当然可以设计很多基于抽象类的派生类。当然在派生类中也可以增加自己的数据成员。

//实际派生类从抽象类中继承
class ActualClass : public AbstructClass
{
public:
    ActualClass(...):AbstructClass(...),...{}
    //派生类中复写虚函数
    func()
    {...}
private:
    //派生类的一些数据
    ...
}；

基本的思想如下图所示：

 

   从上面的图可知，我们可以在实际的派生类与基类之间增加一个中间层，这种实现方式不仅能够更好的隐藏数据，而且比较好的解决了我们上面提到的派生类过实现过于复杂的问题。因此我们可以认为抽象类实际上就是一个分层设计的方法，也可以认为是一个分成更加精细子类的方式方法，也就是说在基类的基础上将对象分成很多子类（抽象类），然后在各个子类下设计新的派生类。比如在图中的抽象类1，抽象类2是不同的，是两种不同的分类，这候我们给予两个抽象类的派生类当然也就存在了差别。这样实现的好处能够避免很多的重复代码。

 

    就假设我们要实现一个比较简单的校园人类，假设已经存在了一个人的基类（Base），那么学校的人存在很多的特征，但是我认为主要分成了3大类，主要是学生、教师、服务人员，因此可以再基类的基础上派生出三个抽象类，Studtent, Teacher, Service，就如同上面的抽象类1，抽象类2，抽象类3。这时候设计一个实际的派生类也就减小了很多的冗余。但是我们觉得还是会存在很多的相似之处，比如学生类而言，还是可以再分，可以分为男女，这样分并不是最好的，我们实际上可以按照专业分，这时候又可以再Student的基础上派生出不同的学生专业抽象类，在各个专业下又可以分为博士、研究生、大学生抽象类，在这些抽象类的基础上还可以分为男女抽象类，到这时就可以直接完成具体每一个派生类的实现啦，这时候的直接基类就是男女学生抽象类，这样就形成了一个多层次的分解问题，将一个大的问题分解成了很多的子类，在子类的基础上在分成更细的子类，最后到达一个精细的抽象子类，这时实现一个具体的派生类就会非常的方便。也就减少了很多的冗余代码，虽然设计的类更多了，但是实现的方式会更加的容易。所以说分层设计的思想是一个重要的思想，分层就能将一个大问题逐步喜欢，而在C++中纯虚函数（抽象类）的运用就能够巧妙的解决这种多层次设计问题。所以说我们的分层设计不仅仅只是单一层的，也可以是多层次的。如下图所示：

 

    因此我们应该掌握C++中这种纯虚函数的用法，只有掌握了这种设计方法才能实现更加漂亮的类设计。当然上面只是我的一些遐想。具体的实现过程还需要在经后的实践中练习。在类的设计中多增加抽象类能够简化类的冗余度，使得类能更加方便的被继承。从上面的结果我们可以将分层设计看做一个树形结构，基类就是树的根，而实际的派生类是就是叶，而那些中间的抽象层就是节点。