实现一个简单的图形绘制系统

题目

实现一个简单的图形绘制系统

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

继承与派生,虚函数与多态,纯虚函数与抽象类,动态内存管理

快速回答

实现要点：

• 定义抽象基类Shape，包含纯虚函数draw()和area()
• 派生Circle和Rectangle类并重写虚函数
• 使用基类指针容器管理不同图形对象
• 正确实现深拷贝防止内存泄漏
• 通过虚析构函数确保正确释放资源

问题描述

设计一个图形系统，支持圆形和矩形两种图形。要求：

1. 定义抽象基类Shape，包含纯虚函数virtual void draw() const = 0和virtual double area() const = 0
2. 实现派生类Circle（半径）和Rectangle（长宽）
3. 创建drawAllShapes()函数，接收vector<Shape*>并调用各元素的draw()和area()
4. 实现深拷贝功能

代码实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cmath>

// 抽象基类
class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual double area() const = 0;
    virtual Shape* clone() const = 0; // 克隆接口
    virtual ~Shape() {} // 虚析构函数
};

// 圆形派生类
class Circle : public Shape {
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Circle with radius: " << radius 
                  << ", Area: " << area() << std::endl;
    }

    double area() const override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }

    Shape* clone() const override {
        return new Circle(*this); // 深拷贝
    }
};

// 矩形派生类
class Rectangle : public Shape {
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing Rectangle " << width << "x" << height
                  << ", Area: " << area() << std::endl;
    }

    double area() const override {
        return width * height;
    }

    Shape* clone() const override {
        return new Rectangle(*this); // 深拷贝
    }
};

// 绘制所有图形
void drawAllShapes(const std::vector<Shape*>& shapes) {
    for (const auto& shape : shapes) {
        shape->draw(); // 多态调用
    }
}

// 深拷贝函数
std::vector<Shape*> cloneShapes(const std::vector<Shape*>& original) {
    std::vector<Shape*> clones;
    for (const auto& shape : original) {
        clones.push_back(shape->clone()); // 多态克隆
    }
    return clones;
}

// 释放内存
void deleteShapes(std::vector<Shape*>& shapes) {
    for (auto& shape : shapes) {
        delete shape; // 多态删除
    }
    shapes.clear();
}

核心原理

• 多态机制：通过基类指针调用虚函数时，根据实际对象类型决定调用哪个版本的函数
• 虚函数表：编译器为每个含虚函数的类创建vtable，存储函数指针
• 抽象类：包含纯虚函数（=0）的类不能实例化，用于定义接口规范

最佳实践

1. 基类析构函数必须声明为virtual，确保通过基类指针删除派生类对象时正确调用派生类析构函数
2. 使用override关键字明确表示重写虚函数，避免意外隐藏
3. 遵循Rule of Three：当需要自定义拷贝构造/赋值操作时，通常也需要自定义析构函数

常见错误

• 内存泄漏：忘记释放new分配的对象
• 对象切片：通过值传递派生类对象给基类参数时丢失派生类信息
• 缺少虚析构函数：导致派生类资源泄漏
• 浅拷贝问题：默认拷贝构造函数仅复制指针，导致重复释放

扩展知识

• C++11智能指针：使用unique_ptr/shared_ptr自动管理内存
• 工厂模式：通过工厂方法创建对象，隐藏具体类实现
• typeid与dynamic_cast：运行时类型识别（RTTI）机制，但应优先使用多态