实现可扩展的图形面积计算器

题目

实现可扩展的图形面积计算器

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

继承设计,多态实现,纯虚函数,抽象类,动态绑定

快速回答

实现步骤：

1. 创建抽象基类Shape，声明纯虚函数calculateArea()
2. 派生Circle和Rectangle类并重写虚函数
3. 使用基类指针容器存储不同图形对象
4. 通过虚函数机制实现多态调用
5. 正确声明虚析构函数避免资源泄漏

原理说明

C++多态通过虚函数和动态绑定实现：

• 虚函数表（vtable）：每个含虚函数的类拥有虚函数表，存储函数指针
• 动态绑定：运行时根据对象实际类型调用正确函数实现
• 纯虚函数强制派生类实现接口，形成抽象基类

代码实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

// 抽象基类
class Shape {
public:
    virtual double calculateArea() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() = default; // 虚析构函数
};

// 派生类 Circle
class Circle : public Shape {
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double calculateArea() const override { 
        return 3.14159 * radius * radius; 
    }
};

// 派生类 Rectangle
class Rectangle : public Shape {
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double calculateArea() const override { 
        return width * height; 
    }
};

// 多态计算总面积
double totalArea(const std::vector<std::unique_ptr<Shape>>& shapes) {
    double total = 0.0;
    for (const auto& shape : shapes) {
        total += shape->calculateArea(); // 动态绑定
    }
    return total;
}

int main() {
    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
    shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(5.0));
    shapes.push_back(std::make_unique<Rectangle>(4.0, 6.0));

    std::cout << "Total area: " << totalArea(shapes) << std::endl;
    return 0;
}

最佳实践

• 使用override关键字明确表示重写虚函数
• 优先使用智能指针（unique_ptr/shared_ptr）管理多态对象
• 为多态基类声明虚析构函数（规则：基类有虚函数则析构函数必须为虚）
• 接口类使用纯虚函数强制实现契约

常见错误

• 未将基类析构函数声明为虚函数 → 派生类资源泄漏
• 对象切片：尝试在容器中直接存储值类型而非指针/引用
• 忘记实现纯虚函数 → 导致抽象类实例化编译错误
• 误用final关键字禁止进一步重写

扩展知识

• 动态绑定开销：虚函数调用比普通函数多一次指针解引用（访问vtable）
• RTTI（运行时类型识别）：typeid和dynamic_cast依赖虚函数表实现
• 性能优化：对性能关键路径，可考虑CRTP（奇异递归模板模式）实现静态多态
• 设计模式：多态是工厂模式、策略模式等的基础实现机制