C++中调用纯虚函数为什么会直接报错？

在C++面向对象编程中，纯虚函数是一个强大而核心的机制，它用于定义接口，强制派生类必须提供特定的功能实现，当这个机制被误用或理解不充分时，编译器会毫不留情地抛出错误，这些报错信息虽然看似晦涩，但它们是通往正确代码的向导，理解纯虚函数及其相关报错，是每一位C++开发者从入门走向精通的必经之路。

什么是纯虚函数与抽象类

我们需要明确两个基本概念，纯虚函数是一个在基类中声明的虚函数，它在基类中没有定义，而是通过在声明末尾添加 = 0 来标记,其语法形式如下：

virtual void functionName() = 0;

包含至少一个纯虚函数的类被称为抽象类，抽象类的主要目的是作为接口，为它的所有派生类建立一个统一的规范，一个关键特性是：抽象类不能被实例化，也就是说，你不能创建一个抽象类的对象，因为它是不完整的，它承诺了某些功能（通过纯虚函数）,但自身并未实现这些功能。

常见的纯虚函数报错：直接实例化抽象类

最常见、最直接的报错场景，就是试图创建一个抽象类的对象,编译器会明确阻止这种行为。

错误示例代码：

#include <iostream>
// 定义一个抽象类 Shape
class Shape {
public:
    // 纯虚函数，计算面积
    virtual double area() = 0;
    // 纯虚函数，计算周长
    virtual double perimeter() = 0;
};
int main() {
    // 错误：试图实例化一个抽象类
    Shape myShape; // 这一行将导致编译错误
    std::cout << "Attempting to create a Shape object." << std::endl;
    return 0;
}

当你尝试编译这段代码时，GCC/Clang 编译器会输出类似以下的错误信息：

error: cannot declare variable ‘myShape’ to be of abstract type ‘Shape’
  note:   because the following virtual functions are pure within ‘Shape’:
  note:     virtual double Shape::area()
  note:     virtual double Shape::perimeter()

这个错误信息非常清晰地指出了问题所在：

1. cannot declare variable ‘myShape’ to be of abstract type ‘Shape’：你不能声明一个类型为抽象类 Shape 的变量 myShape。
2. because the following virtual functions are pure within ‘Shape’：因为 Shape 类中包含以下纯虚函数。
3. 它还会列出所有未被实现的纯虚函数（area 和 perimeter）。

深入分析：派生类未完全实现接口

一个更隐蔽但同样常见的错误发生在继承链中，如果派生类没有重写（override）基类中的所有纯虚函数,那么这个派生类自身也会成为一个抽象类。

错误示例代码：

#include <iostream>
class Shape {
public:
    virtual double area() = 0;
    virtual double perimeter() = 0;
};
// 派生类 Circle 只实现了 area() 函数
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    // 实现了 area()
    double area() override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
    // 忘记实现 perimeter()，Circle 仍然是抽象类
};
int main() {
    // 错误：Circle 仍然是抽象类，因为它没有实现 perimeter()
    Circle myCircle(5.0); // 这一行同样会导致编译错误
    return 0;
}

编译器会再次报错，但这次会指向 Circle 类：

error: cannot declare variable ‘myCircle’ to be of abstract type ‘Circle’
  note:   because the following virtual functions are pure within ‘Circle’:
  note:     virtual double Shape::perimeter()

这个错误信息告诉我们，Circle 类仍然是抽象的，因为它继承了一个纯虚函数 perimeter() 但没有提供实现。

解决方案与最佳实践

解决上述问题的根本方法是确保所有要被实例化的类都是“具体”的,即它们不包含任何未实现的纯虚函数。

为派生类提供完整的实现

在派生类中重写并实现基类所有的纯虚函数。

// 修正后的 Circle 类
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
    // 现在实现了 perimeter()
    double perimeter() override {
        return 2 * 3.14159 * radius;
    }
};
int main() {
    // 正确：Circle 现在是一个具体类，可以被实例化
    Circle myCircle(5.0);
    std::cout << "Circle area: " << myCircle.area() << std::endl;
    return 0;
}

关于纯虚析构函数的特殊情况

一个特例是纯虚析构函数，即使一个析构函数被声明为纯虚的（= 0），你也必须为它提供一个函数体，这是因为派生类的析构函数在执行完毕后，会自动调用基类的析构函数，如果基类析构函数没有实现,链接阶段就会出错。

class Base {
public:
    virtual ~Base() = 0; // 纯虚析构函数
};
// 必须提供实现，即使是空的
Base::~Base() {}
class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        // ... 清理派生类资源
    }
};

为了更清晰地回顾,下表小编总结了常见的纯虚函数相关错误及其解决方案。

错误场景	核心原因	解决方案
直接实例化抽象类（如 Shape obj;）	抽象类包含未被实现的纯虚函数，其设计上就是不完整的，不能直接创建对象。	通过派生类继承该抽象类，并实现所有纯虚函数，然后实例化派生类。
实例化一个未完全实现接口的派生类	派生类没有重写基类中的所有纯虚函数，导致自身也变成了抽象类。	检查派生类，确保其重写了从基类继承的每一个纯虚函数。
为带有纯虚析构函数的基类链接时出现未定义错误	声明了纯虚析构函数但未提供函数体，导致派生类析构时找不到基类析构函数的定义。	在类外为纯虚析构函数提供一个实现（即使是空实现）。

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相关问答FAQs

问题1：纯虚函数可以有函数体吗？

解答： 可以，这是一个C++中允许但不太常见的特性，你可以为一个纯虚函数提供实现，语法上，你仍然使用 = 0 来标记它为纯虚，但同时在类外提供函数定义，这样做的主要目的是为派生类提供一个默认的、可以被显式调用的实现，派生类在重写该函数时，可以选择完全重新实现，也可以通过 基类名::函数名() 的方式调用这个默认实现来复用代码，重要的是，即使有了函数体，只要声明中包含 = 0，该类仍然是抽象类,不能被实例化。

问题2：在构造函数或析构函数中调用纯虚函数会发生什么？

解答： 这是一个非常危险的错误操作，其结果是未定义行为，通常会导致程序直接崩溃，原因在于对象的构造和析构顺序，在基类的构造函数执行期间，对象的派生类部分尚未构造完成，此时它的虚函数表指针指向的是基类的虚函数表，如果在基类构造函数中调用纯虚函数，实际调用的是基类自身的版本（即纯虚函数版本），这违反了纯虚函数的定义，同理，在基类的析构函数执行时，派生类部分已经被销毁，虚函数表指针也回退到了基类的版本，此时调用纯虚函数同样是调用基类版本，导致未定义行为，永远不要在构造函数或析构函数中调用虚函数,尤其是纯虚函数。