Question

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：

现在假设从 Ellipse 类派生出一个 Circle 类：

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：

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：

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：

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：

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 Ellips 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 Ciecle 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。

13.6.1 应用 ABC 概念

您可能希望看到一个完整的 ABC 示例，因此这里将这一概念用于 Brass 和 BrassPlus 账户，首先定义一个名为 AcctABC 的 ABC。这个类包含 Brass 和 BrassPlus 类共有的所有方法和数据成员，而那些在 BrassPlus 类和 Brass 类中的行为不同的方法应被声明为虚函数。至少应有一个虚函数是纯虚函数，这样才能使 AcctABC 成为抽象类。

程序清单 13.11 的头文件声明了 AcctABC 类（ABC）、Brass 类和 BrassPlus 类（两者都是具体类）。为帮助派生类访问基类数据，AcctABC 提供了一些保护方法；派生类方法可以调用这些方法，但它们并不是派生类对象的公有接口的组成部分。AcctABC 还提供一个保护成员函数，用于处理格式化（以前是使用非成员函数处理的）。另外，AcctABC 类还有两个纯虚函数，所以它确实是抽象类。

程序清单 13.11 acctabc.h

接下来需要实现那些不是内联函数的方法，如程序清单 13.12 所示。

程序清单 13.12 acctABC.cpp

保护方法 FullName( ) 和 AcctNum( ) 提供了对数据成员 fullName 和 acctNum 的只读访问，使得可以进一步定制每个派生类的 ViewAcct( )。

这个版本在设置输出格式方面做了两项改进。前一个版本使用两个函数调用来设置输出格式，并使用一个函数调用来恢复格式：

这个版本定义了一个结构，用于存储两项格式设置；并使用该结构来设置和恢复格式，因此只需两个函数调用：

因此代码更整洁。

旧版本存在的问题是，setFormat( ) 和 restore( ) 都是独立的函数，这些函数与客户定义的同名函数发生冲突。解决这种问题的方式有多种，一种方式是将这些函数声明为静态的，这样它们将归文件 brass.cpp 及其继任 acctabc.cpp 私有。另一种方式是，将这些函数以及结构 Formatting 放在一个独立的名称空间中。但这个示例探讨的主题之一是保护访问权限，因此将这些结构和函数放在了类定义的保护部分。这使得它们对基类和派生类可用，同时向外隐藏了它们。

对于 Brass 和 BrassPlus 账户的这种新实现，使用方式与旧实现相同，因为类方法的名称和接口都与以前一样。例如，为使程序清单 13.10 能够使用新的实现，需要采取下面的步骤将 usebrass2.cpp 转换为 usebrass3.cpp：

• 使用 acctabc.cpp 而不是 brass.cpp 来链接 usebrass2.cpp。
• 包含文件 acctabc.h，而不是 brass.h。
• 将下面的代码：

替换为：

程序清单 13.13 是修改后的文件，并将其重命名为 usebrass3.cpp。

程序清单 13.13 usebrass3.cpp

该程序本身的行为与非抽象基类版本相同，因此如果输入与给程序清单 13.10 提供的输入相同，输出也将相同。

13.6.2 ABC 理念

在处理继承的问题上，RatedPlayer 示例使用的方法比较随意，而 ABC 方法比它更具系统性、更规范。设计 ABC 之前，首先应开发一个模型——指出编程问题所需的类以及它们之间相互关系。一种学院派思想认为，如果要设计类继承层次，则只能将那些不会被用作基类的类设计为具体的类。这种方法的设计更清晰，复杂程度更低。

可以将 ABC 看作是一种必须实施的接口。ABC 要求具体派生类覆盖其纯虚函数——迫使派生类遵循 ABC 设置的接口规则。这种模型在基于组件的编程模式中很常见，在这种情况下，使用 ABC 使得组件设计人员能够制定“接口约定”，这样确保了从 ABC 派生的所有组件都至少支持 ABC 指定的功能。