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如何实现接口继承与实现继承的区别？如何处理多态性与性能的平衡？

来源：刀刀网

接口继承与实现继承的区别及实现方式

接口继承（纯虚函数）

在 C++ 中，接口继承主要通过纯虚函数来实现。纯虚函数是在基类中声明的虚函数，它在基类中没有定义，只提供了函数签名，其形式为virtual 返回类型函数名(参数列表)=0;。例如：

class Shape {
public:
    virtual double area() = 0; 
    virtual double perimeter() = 0;
};

  - 这里的`Shape`类是一个抽象类，不能创建它的对象。它定义了两个纯虚函数`area`和`perimeter`，这两个函数相当于接口。任何继承自`Shape`类的派生类都必须实现这两个函数，否则派生类也会成为抽象类。例如，`Rectangle`类继承自`Shape`类：
     ```cpp
     class Rectangle : public Shape {
     private:
         double length;
         double width;
     public:
         Rectangle(double l, double w) : length(l), width(w) {}
         double area() override {
             return length * width;
         }
         double perimeter() override {
             return 2 * (length + width);
         }
     };

这种继承方式强制派生类遵循基类定义的接口规范，主要用于实现多态性，即通过基类指针或引用调用派生类的函数

实现继承（非纯虚函数）

实现继承是指派生类继承基类的函数实现。当基类中的函数不是纯虚函数时，派生类可以选择继承基类的函数实现，也可以重写（覆盖）它。例如：

class Animal {
public:
    void move() {
        std::cout << "Animal moves." << std::endl;
    }
};
class Dog : public Animal {
public:
    void move() override {
        std::cout << "Dog runs." << std::endl;
    }
};

- 在这个例子中，`Animal`类有一个非纯虚函数`move`。`Dog`类继承自`Animal`类，并且重写了`move`函数。如果`Dog`类没有重写`move`函数，那么当通过`Dog`类对象调用`move`函数时，会调用`Animal`类中的`move`函数实现。
2. **多态性与性能的平衡**
   - **多态性的代价**
     - 多态性主要通过虚函数来实现。当使用虚函数时，C++会在对象的内存布局中添加一个虚函数表（v - table）指针。每次通过基类指针或引用调用虚函数时，需要通过虚函数表来查找真正要调用的函数地址，这会带来一定的运行时开销。例如：
     ```cpp
     Shape* shapePtr;
     Rectangle rect(3, 4);
     shapePtr = &rect;
     shapePtr->area();

性能优化策略

避免不必要的虚函数调用：

如果在某些特定场景下，你确定对象的实际类型，并且不需要多态行为，可以直接通过对象本身来调用函数，而不是通过基类指针或引用。例如：

Rectangle rect(3, 4);
rect.area();

- 这种方式避免了虚函数调用的开销。
     - **内联虚函数（有条件使用）**：对于一些简单的虚函数，并且在性能敏感的代码中，可以考虑将其声明为内联函数。不过需要注意的是，编译器是否真正内联函数还要看函数的复杂程度等因素。例如：
     ```cpp
     class Shape {
     public:
         virtual inline double area() = 0; 
     };

但是，对于复杂的多态层次结构和频繁调用的虚函数，内联可能不会起到很好的效果，因为虚函数的多态性本质上还是需要运行时的动态分派。

使用非虚接口（NVI）模式：这种模式将公共接口定义为非虚函数，在非虚函数内部调用虚函数来完成实际的工作。例如：

class Shape {
public:
    double calculateArea() {
        return doArea();
    }
private:
    virtual double doArea() = 0;
};

这样，在calculateArea函数中可以进行一些预处理或者后处理工作，同时通过doArea虚函数保持多态性。并且，对于一些不需要多态的情况，可以直接调用calculateArea函数，减少虚函数调用的开销。

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