【Example】C++ 接口(抽象类)概念讲解及例子演示

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芯片烤电池

修改于 2022-04-28 10:07:06

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修改于 2022-04-28 10:07:06

文章被收录于专栏：C++教程

C++ 和 Java 不同的是，C++ 没有 interface 关键字。对于很多新手来说，C++ 当中接口的概念不容易像 Java 当中那样被理解。

然而接口是面向对象编程当中的重要组成部分，也是新手需要学习的重要思维，~~虽然 C++ 并不那么面向对象~~。

首先，要明确接口的概念：

接口的存在意义是为不同的派生类提供统一的标准，继而实现面向对象编程当中的多态概念。

对象是对客观事物的抽象，类是对对象的抽象。

那么，C++ 当中既然不存在 interface 关键字，那么接口是通过什么方式来实现的呢？

首先要讲两个概念：

一、纯虚函数 (Pure Virtual Function)：

1，纯虚函数只有函数名、参数、返回值类型。

2，纯虚函数的定义是在函数句首使用 virtual 关键字修饰，并且在句末增加 "= 0"。

virtual void funtion() = 0;

3，纯虚函数只有声明，基类可以存在纯虚函数的实现（但无意义，因为子类都要重写）。

4，定义纯虚函数的目的在于，使每一个派生类都拥有相同的函数规范。

承上启下：包含纯虚函数的类就是抽象类。

二、抽象类 (Abstract Class)：

1，抽象类必须包含一个纯虚函数，存在纯虚函数的类就一定是一个抽象类。

2，抽象类不能被实例化，只能被继承派生，因为纯虚函数不是完整的函数，无法调用，也无法为其分配内存空间。

3，派生出来的子类必须实现所有抽象类当中的纯虚函数。

4，抽象类默认存在隐式的构造函数，但是不能将构造函数定义为纯虚函数。（因为无意义）

5，析构函数可以定义成纯虚函数，相应的派生类也要给出析构函数的实现。

6，如果派生出来的子类没有实现父抽象类当中的所有纯虚函数，那子类仍然是抽象类。

所以，特点就很显而易见了，有这么一个“类”，它不能被实例化，只能被继承，而继承它的派生类必须要重写它声明的所有函数。

这就是接口的概念，为所有派生类提供了一个统一的规范可以实现多态。

演示讲解部分

这里的 Demo 不像高校老师那样随便写几个类来演示了，而是选择一个更贴合实际开发的场景：

定义一个接口(抽象类)，封装两个动态库代码去继承并分别采用不同方式实现，最后在 main 函数中执行通过多态获得不同效果。

演示使用 Visual Studio 2022，其中会涉及智能指针、动态库类的导出、动态库链接等额外知识点，自行 Docs 补充。（一闪而过非常简单）

Visual Studio 是一个解决方案包含N个项目，这个 Demo 的结构就是接口作为一个项目、两个动态库两个项目、演示执行的EXE一个项目。

新建第一个项目，创建接口头文件：BrainToolBoxInterface.h

文件中有一个叫“大脑工具箱”的抽象类，它拥有两个纯虚函数作为统一的接口。

#pragma once

#include <vector>
using std::vector;

// 定义统一的 DLL 导出宏 
#define BrainToolBoxDLL_EXPORTS

// 定义接口
class BrainToolBoxInterface
{
public:

    // 对 Vector 进行排序的接口
    virtual void SortVector(std::vector<int>& vec) = 0;

    // 说自己是人脑还是电脑
    virtual void SelfIntroduction() = 0;

};

新建第二和第三个项目：分别叫 “人力工具箱” 和 “电脑工具箱”的两个动态库

其中两个项目的 dllmain、phc、framework完全一致，并且VS会自动帮你创建。

但是要注意，两个项目新建后，要将接口头文件所在的路径添加到 “附加包含目录”。

补充 DLL 导出相关知识（重要）：

dllexport 与 dllimport 属性官方解释：Microsoft 专用 dllexport 与 dllimport

注意两个属性必须搭配 _declspec() 关键字使用。

我们的两个动态库是给外部程序调用的，所以应使用 _declspec(dllexport)，表明类可以被外部所使用。

注意：[摘自MSDN] 不使用 __declspec(dllimport) 也能正确编译代码，但使用 __declspec(dllimport) 使编译器可以生成更好的代码。编译器之所以能够生成更好的代码，是因为它可以确定函数是否存在于 DLL 中，这使得编译器可以生成跳过间接寻址级别的代码，而这些代码通常会出现在跨 DLL 边界的函数调用中。但是，必须使用 __declspec(dllimport) 才能导入 DLL 中使用的变量。

以下代码可以看到，“人力工具箱” 和 “电脑工具箱” 使用了共同的 BrainToolBoxInterface 接口，但是实现方式完全不同。

“人力工具箱”动态库：

HumanToolBox.h 文件内容：

#pragma once

#include "BrainToolBoxInterface.h"

// 配置类的导出
#ifdef BrainToolBoxDLL_EXPORTS
#define BrainToolBoxDLL __declspec(dllexport)
#else
#define BrainToolBoxDLL __declspec(dllimport)
#endif

// 修饰类使其可以被导出
class BrainToolBoxDLL HumanToolBox : public BrainToolBoxInterface
{
public:
    // 构造
    HumanToolBox();

    // 析构
    ~HumanToolBox();

    // 对 Vector 进行排序
    void SortVector(std::vector<int>& vec);

    // 自我介绍
    void SelfIntroduction();

};

HumanToolBox.cpp 文件内容：(手写了冒泡排序来实现)

#include "pch.h"
#include "HumanToolBox.h"

#include <iostream>

HumanToolBox::HumanToolBox()
{
}

HumanToolBox::~HumanToolBox()
{
}

void HumanToolBox::SortVector(std::vector<int>& vec)
{
    int vec_size = vec.size();
    for (size_t i = 0; i < vec_size; i++)
    {
        int trend_size = vec_size - i - 1;
        for (size_t j = 0; j < trend_size; j++)
        {
            if (vec[j] > vec[j + 1])
            {
                int k = vec[j];
                vec[j] = vec[j + 1];
                vec[j + 1] = k;
            }
        }
    }

    return;
}

void HumanToolBox::SelfIntroduction()
{
    std::cout << "I am super man!" << std::endl;
    return;
}

“电脑工具箱”动态库：

ComputerToolBox.h 文件内容：

#pragma once

#include "BrainToolBoxInterface.h"

// 配置类的导出
#ifdef BrainToolBoxDLL_EXPORTS
#define BrainToolBoxDLL __declspec(dllexport)
#else
#define BrainToolBoxDLL __declspec(dllimport)
#endif

// 修饰类使其可以被导出
class BrainToolBoxDLL ComputerToolBox : public BrainToolBoxInterface
{
public:
    // 构造
    ComputerToolBox();

    // 析构
    ~ComputerToolBox();

    // 对 Vector 进行排序
    void SortVector(std::vector<int>& vec);

    // 自我介绍
    void SelfIntroduction();

};

ComputerToolBox.cpp 文件内容：(调用标准库排序来实现)

#include "pch.h"
#include "ComputerToolBox.h"

#include <iostream>
#include <algorithm>

ComputerToolBox::ComputerToolBox()
{
}

ComputerToolBox::~ComputerToolBox()
{
}

void ComputerToolBox::SortVector(std::vector<int>& vec)
{
    std::sort(vec.begin(), vec.end());
    return;
}

void ComputerToolBox::SelfIntroduction()
{
    std::cout << "I am byte!" << std::endl;
    return;
}

新建第四个项目：创建一个调用两个 DLL 的可执行文件

在项目引用当中添加 ComputerToolBox 和 HumanToolBox。

再将 ComputerToolBox 和 HumanToolBox 头文件所在的路径添加到 “附加包含目录”。

【实际开发中建议使用 pIMPL 隐藏 DLL 实现】

CMD_Main.cpp 文件内容：

// CMD_Main.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//

#include <iostream>
#include <memory>
using std::shared_ptr;
using std::make_shared;

#include "BrainToolBoxInterface.h"
#include "ComputerToolBox.h"
#include "HumanToolBox.h"

int main()
{
    shared_ptr<BrainToolBoxInterface> cr = make_shared<ComputerToolBox>();
    shared_ptr<BrainToolBoxInterface> hr = make_shared<HumanToolBox>();

    cr->SelfIntroduction();
    hr->SelfIntroduction();

    return EXIT_SUCCESS;
}

最终运行效果：