虚函数与抽象类：在继承层次结构中使用多态

# 1. 面向对象编程基础

### 1.1 面向对象编程的基本概念

面向对象编程（Object-oriented programming，简称OOP）是一种程序设计的方法论，它将现实世界中的对象抽象成程序中的类（Class），并通过封装（Encapsulation）、继承（Inheritance）和多态（Polymorphism）等概念来组织和管理代码。

在面向对象编程中，类是对象的模板，它描述了对象的属性和行为。属性可以是对象的状态，而行为是对象可以执行的操作。通过封装，类将数据和方法组合在一起，形成了一个独立的单元，外部只能通过公有接口来访问这个单元，从而实现了信息隐藏和代码复用的目的。

### 1.2 封装、继承和多态的概念

封装（Encapsulation）是面向对象编程的一项基本原则，它将数据和操作数据的方法封装在一起，形成了一个类。封装提供了对象的内部实现细节的隐藏，只暴露了必要的公共接口供外部访问，降低了代码的耦合性，提高了代码的可维护性和可复用性。

继承（Inheritance）是面向对象编程的一种机制，它允许一个类继承另一个类的属性和行为。通过继承，子类（Derived class）可以拥有父类（Base class）的属性和方法，并且可以在此基础上进行扩展和修改，实现了代码的重用性和扩展性。

多态（Polymorphism）是面向对象编程的一个核心概念，它指同一个方法调用可以根据对象的不同而有不同的行为。这意味着父类的引用可以指向子类的对象，并且可以根据实际所引用对象的类型来调用相应的方法。通过多态，我们可以实现更灵活的代码设计和组织。

### 1.3 多态在实际编程中的应用

多态在实际编程中的应用非常广泛。以图形绘制为例，我们可以定义一个基类 `Shape` 表示各种形状，其中包含一个方法 `draw()` 来绘制图形。然后我们可以派生出不同的子类如 `Rectangle` 和 `Circle`，它们都重写了 `draw()` 方法以实现各自的绘制逻辑。此时，我们可以定义一个方法接收 `Shape` 对象作为参数，并调用 `draw()` 方法，而不需要关心具体是哪种形状，实现了解耦和灵活性。

class Shape:
    def draw(self):
        pass

class Rectangle(Shape):
    def draw(self):
        print("Drawing a rectangle")

class Circle(Shape):
    def draw(self):
        print("Drawing a circle")

def draw_shape(shape):
    shape.draw()

rect = Rectangle()
circle = Circle()

draw_shape(rect)    # 输出：Drawing a rectangle
draw_shape(circle)  # 输出：Drawing a circle

在上述代码中，`Shape` 类是一个抽象类，其中的 `draw()` 方法是一个虚函数。派生类 `Rectangle` 和 `Circle` 重写了 `draw()` 方法，实现了多态的效果。通过调用 `draw_shape()` 方法，可以根据实际的对象类型来选择调用哪个 `draw()` 方法。

# 2. 虚函数的概念与用法

在面向对象编程中，虚函数是一种非常重要的概念，它允许在继承层次结构中实现多态，使得程序在运行时能够动态地选择调用哪个函数。接下来，我们将深入探讨虚函数的概念和用法。

### 2.1 什么是虚函数？

在C++和Java等面向对象编程语言中，虚函数是通过使用关键字`virtual`来声明的成员函数。它允许子类重写父类的该函数，实现多态性的关键。

### 2.2 虚函数的声明和定义

虚函数的声明非常简单，只需要在函数声明前加上`virtual`关键字即可。下面是一个C++中虚函数的声明和定义示例：

class Base {
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base class show function" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() {
        cout << "Derived class show function" << endl;
    }
};

### 2.3 虚函数的重写与重载

子类可