【C++杂货铺】再谈类和对象

春人.2023-07-25 12:40

文章目录

一、再谈构造函数

1.1 构造函数体赋值

在创建对象的时候，编译器通过调用构造函数，在构造函数体中，给对象中的各个成员变量一个合适的初值。

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
 {
     _year = year;
     _month = month;
     _day = day;
 }
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

虽然上述构造函数调用之后，对象中已经有了一个初始值，但是不能将其称为对对象中成员变量的初始化，构造函数体中的语句只能将其称为赋初值，而不能称作初始化 。因为初始化只能初始化一次，而构造函数体内可以多次赋值。

1.2 初始化列表

📖定义：
初始化列表 ：以一个冒号 开始，接着是以一个逗号 分割的数据成员列表，每个成员变量 后面跟一个放在括号中的初始值或表达式，初始化列表是构造函数的一部分。

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
     : _year(year)
     , _month(month)
     , _day(day)
 {}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

小Tips ： 每个成员变量在初始化列表中最多只能出现一次（初始化只能初始化一次）。出了下面提到的三个类型的成员变量外，其他的成员变量可以不出现在初始化列表中，此时编译器对内置类型（没有默认值的情况下）不做处理（一般是随机值），对自定义类型会调用它的默认构造，内置类型如果给了默认值，则编译器会使用这个默认值。

📖必须经过初始化列表

类中包含以下成员，必须放在初始化列表进行初始化：

  • 引用成员变量
  • const成员变量
  • 自定义类型成员（且该类没有默认构造函数）

其中引用成员变量和const成员变量，都有一个共同的特征：必须在定义的时候初始化。初始化列表就是对象中成员变量定义的位置。

cpp 复制代码 
class A
{//A类中没有默认构造函数
public:
	A(int a)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};
class B
{
public:
	B(int a, int& ref)
		:_aobj(a)
		,_ref(ref) 
		,_n(10)
	{}
private:
	A _aobj;  // 没有默认构造函数
	int& _ref;  // 引用
	const int _n; // const 
};

小Tips：尽量使用初始化列表初始化，因为不管是否使用初始化列表，对于自定义类型的成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。

📖初始化列表能代替函数体内赋值嘛？

cpp 复制代码 
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 10)
		:_top(0)
		, _capacity(capacity)
		, _a((int*)malloc(_capacity*sizeof(int)))
	{
		//下面这些功能都是初始化列标无法完成的，因此需要用到构造函数的函数体
		if (_a == nullptr)`在这里插入代码片`
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		cout << 11111111111111111111 << endl;
		memset(_a, 0, _capacity * sizeof(int));//把空间中的数据全部设置为0
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

如上面的代码所示，初始化列表并不能完成所有工作，有时候对于成员变量不仅要完成初始化，还要对初始化的结果进行合理性检查等操作，因此初始化列表不能代替函数体内赋值。

📖初始化顺序

成员变量在类中的声明次序就是其在初始化列表中的初始化顺序，与其在初始化列表中的先后次序无关。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
    A(int a)
       :_a1(a)
       ,_a2(_a1)
   {}
    
    void Print() {
        cout<<_a1<<" "<<_a2<<endl;
   }
private:
    int _a2;
    int _a1;
};
int main() {
    A aa(1);
    aa.Print();
}

上面代码中，因为A类中成员变量的声明顺序是_a2、_a1，所以在初始化列表中先去初始化_a2，但是_a2是用_a1来初始化的，_a1此时还没有被初始化，所以是随机值，接下来再去用a初始化_a1，所以最终打印出来的结果_a1是1，而_a2是随机值。

1.3 explicit关键字

构造函数不仅可以构造与初始化对象，对于单个参数或除第一个参数无缺省值其余均有默认值的构造函数，还有类型转换的作用。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int x)
		:_a(x)
	{
		cout << "A(int x)" << endl;
	}
	A(const A& x)
		:_a(x._a)
	{
		cout << "A(const A& x)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A a2 = 2;
	return 0;
}

上面代码中，A类只有一个单参数的构造函数，因此该构造函数是支持隐式类型转换的，A a2 = 2;本质上就是隐式类型转换，把一个整型2，转换成自定义类型A。具体过程是：首先在隐式转换过程中会产生一个临时的中间变量，这里就是用2去调用构造函数，得到一个A类型的临时中间变量，然后再用这个A类型的中间变量去调用拷贝构造，最终完成a2的创建。一般比较新的编译器，对这种连续的调用构造、拷贝构造进行了优化，会用2去调用构造函数完成a2的创建。

打印的结果确实说明只调用了构造函数。此时可能会有朋友产生怀疑了，觉得A a2 = 2;本来就是直接用2去调用构造函数创建a2，压根不存在什么先创建临时的中间变量，别急，可以通过引用来验证。


这里我们把一个整型3，赋值给一个A类型的引用，起初我们没加const程序报错了，后面加上const程序没有报错。为什么？就是因为这里会首先用3去调用构造函数，创建一个A类型的临时中间变量，前面的文章说过，临时的中间变量具有常性，这里的a3就是这个临时中间变量的别名，所以要在a3的前面加上const进行修饰。

📖使用场景

cpp 复制代码 
//string是字符串类
string name1("张三");
//直接构造
string name2 = "张三";
//构造+拷贝构造，优化成构造
cpp 复制代码 
class list
{
public:
	void push_back(const string& str)
	{}
};

int main()
{
	list l1;
	string name2("李四");
	l1.push_back(name2);

	l1.push_back("李四");

	return 0;
}

如上面的代码，我们在插入值的时候，因为push_back函数的参数是string类型的对象引用，意味着要插入一个string类型的对象，如果不支持隐式类型转化，在插入string对象的过程中，我们就要先创建一个string类型的对象，然后再去插入，支持隐式类型转换的话，我们就无需创建string类型的对象，而是直接把一个字符串插入，就像l1.push_back("李四");这样，先用"李四"创建一个临时的中间变量，临时中间变量具有常性。此时就体现出了，在不修改对象的情况下，给形参加上const的优越性。push_back函数的形参用引用，是为了避免调用拷贝构造，一旦碰到形参是引用的，就要仔细考虑要不要加const进行修饰，引用和权限问题永远是并存的。

📖explicit关键字

如果想要禁止上面提到的隐式类型转换，可以在构造函数的前面加上explicit关键字进行修饰。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	explicit A(int x)
		:_a(x)
	{
		cout << "A(int x)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

此时就不能把一个整型赋值给A类型的对象。智能指针就不希望发生这种隐式类型转换，具体的我们后面再说。

二、static成员

📖先看一个场景

有一个A类，现在要统计程序中正在使用的A类型的对象有多少个，即当前程序中，创建后没有被销毁的A对象的个数。

很多朋友第一时间想到的就是定义一个全局的整型变量并初始化为0，然后在构造函数中++，在析构函数中--，像下面这样：

cpp 复制代码 
int _scount = 0;//全局的变量用来统计个数

class A
{
public:
	A()
	{ 
		cout << "A()" << endl;
		++_scount; 
	}
	A(const A& t)
	{
		cout << "A(const A& t)" << endl;
		++_scount; 
	}
	~A() 
	{
		cout << "~A()" << endl;
		--_scount; 
	}
public:
	int _a = 10;
};

A a1;//第一个，调用的普通构造

A Func(A aa)//形参是类对象，则需要调用拷贝构造//第四个
{
	cout << __LINE__ << ":" << _scount << endl;
	return aa;
}

int main()
{
	cout << __LINE__ << ":" << _scount << endl;
	A a2;//第二个，调用的普通构造
	static A a3;//第三个，调用的普通构造
	Func(a3);
	//函数传值返回会创建一个临时的中间变量，也是调用拷贝构造，用现有的aa对象去创建一个新的对象，所以是拷贝构造//第五个
	cout << __LINE__ << ":" << _scount << endl;
	return 0;
}


注意 ：全局对象先于局部对象进行构造，局部对象按照出现的顺序进行构造，无论是否为static，析构的顺序是按照析构造的相反顺序析构，只需注意static会延长对象的生命周期，所以会放在局部对象之后进行析构。

上面这种方法可以帮我们统计出当前程序中"存活"的A类对象，但是也有一个缺陷，这里的计数器变量_scount 是一个全局的，意味着我们可以在程序中的任何地方对它进行修改，这样就会导致我们统计出来的数量不准确。

为了解决上面的问题，我们可以考虑用C++的封装性，即把这个计数器变量_scount 变成A类的静态成员变量。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A()" << endl;
		++_scount;
	}
	A(const A& t)
	{
		cout << "A(const A& t)" << endl;
		++_scount;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
		--_scount;
	}
public:
	int _a = 10;
	static int _scount;
};

📖概念

声明为static的类成员 称为类的静态成员 ，用static 修饰的成员变量，称为静态成员变量 ；用static修饰 的成员函数 ，称之为静态成员函数。

📖静态成员变量的特点

  • 静态成员变量为所有类对象所共享，不属于某一个具体的对象，存放在静态区。
  • 静态成员变量必须在类外面定义 ，定义时不加static关键字，类中只是声明。
  • 公有的静态成员变量可以通过类名::静态成员变量 或者对象.静态成员变量来访问。
  • 静态成员变量在类中声明的时候不能给默认值，因为这个默认值本质上是给初始化列表来使用的，而静态成员变量是不走初始化列表的。

注意：静态成员变量是不走初始化列表的，初始化列表是对象中每个成员变量初始化的地方，而静态成员变量是属于这个类的，不属于某一个具体的对象。

cpp 复制代码 
//静态成员变量在类外面定义
int A::_static = 0;
//访问静态成员变量的两种方法
A num;//声明一个A类型的对象
num._static;//通过对象去访问
A::_static//通过类直接去访问

📖静态成员函数的特点

  • 静态成员函数没有隐藏的this指针，在静态成员函数中不能访问任何非静态的成员，即在静态成员函数中只能访问静态成员。
  • 公有的静态成员函数可以通过类名::静态成员函数 或者对象.静态成员函数来访问。
  • 非静态成员函数可以访问类中的任何成员，包括静态成员和非静态成员。

📖静态成员函数的经典应用场景

一般在不加限制的情况下，我们用自定义类型去创建对象，可以在静态区创建，也可以在栈区创建，还可以在堆区创建，那我现在就希望创建出来的对象在栈区或堆区该怎么做呢？

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	static A GetStackObj()
	{
		A a1;
		return a1;
	}
	static A* GetHeapObj()
	{
		return new A;
	}
private:
	A()
	{}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 2;
};

int main()
{
	//static A aa1;//在静态区
	//A aa2;//在栈区
	//A* pa3 = new A;//在堆区
	A aa1 = A::GetStackObj();
	A* pa2 = A::GetHeapObj();
}

以A类为例，首先我们可以把它的构造函数设置成private私有，此时在类外面就无法直接创建A类对象，然后我们在A类里面写两个成员函数GetStackObj()和GetHeapObj()，分别在栈区和堆区创建对象，因为在类里面是不受类域和访问限定符的限制，经过这样一番操作后，我们调用GetStackObj()函数就是在栈区创建对象，调用GetHeapObj()就是在堆区创建对象。但是，问题来了，如果这两个成员函数是非静态的，那想要调用这两个成员函数，必须通过对象.成员函数 才能去调用，可是现在构造函数是私有的，我们无法在类外面创建对象，那就意味着我们无法调用这两个成员函数，此时静态成员函数的优势就体现出来了，我们可以把这两个成员函数设置成静态成员函数，这样我们就可以通过类名::静态成员函数去调用这两个函数。

三、友元

友元提供了一种突破封装的方式，有时会提供便利，但是友元会增加耦合度，破坏封装，友元就像是走后门，只要你是我的朋友，你就能访问我的私有成员，这显然是不太公平的，所以友元不易多用。友元分为：友元函数 和友元类。

3.1 友元函数

上一篇中，重载的<<和>>函数就是友元函数，利用了友元突破封装的特性。

📖友元函数的特点

  • 友元函数可以访问类的私有 和保护 成员，但不是类的成员函数。
  • 友元函数不能用const修饰。
  • 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受访问限定符限制。
  • 一个函数可以是多个类的友元函数。
  • 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同。

3.2 友元类

友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的私有和保护成员。

📖友元类的特点

  • 友元关系是单向的，不具有交换性。
  • 友元关系不能传递，即如果B是A的友元，C是B的友元，则不能说明C是A的友元。
  • 友元关系不能继承。
cpp 复制代码 
class Time
{
    friend class Date;// 声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
public:
    Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
        : _hour(hour)
        , _minute(minute)
        , _second(second)
    {}
private:
    int _hour;
    int _minute;
    int _second;
};

class Date
{
public:
    Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
        : _year(year)
        , _month(month)
        , _day(day)
    {}

    void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
    {
        // 直接访问时间类私有的成员变量
        _t._hour = hour;
        _t._minute = minute;
        _t._second = second;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
    Time _t;
};

如上面的Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友元类，那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量，但是想在Time类中访问Date类中的私有成员变量则不行。

四、内部类

定义：如果一个类定义在另一个类的内部，这个类就叫做内部类。内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去访问内部类的成员。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。

注意 ：内部类天生就是外部类的友元，内部类可以通过外部类的对象来访问外部类中的所有成员。

特性：

  • 内部类受访问限定符的限制，内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
  • 内部类中可以直接访问外部类中的static成员，不需要外部类的对象/类名。
  • sizeof(外部类)等于外部类的大小，即大小只和外部类的非静态成员变量有关，和内部类没有任何关系。
cpp 复制代码 
class A
{
private:
    static int k;
    int h = 0;
public:
    class B // B天生就是A的友元
    {
    public:
        void foo(const A& a)
        {
            cout << "直接访问A类中的静态成员k：" << k << endl;//ok
            //cout << h << endl;不ok
            cout << "通过域作用限定符访问A中的静态成员k：" << A::k << endl;//OK
            cout << "通过A类对象访问A中的静态成员k：" << a.k << endl;//OK
            cout << "通过A类对象访问A中的非静态成员h：" << a.h << endl;//OK
        }
    };
};
int A::k = 1;
int main()
{
    A a;
    A::B b;//如果B类是私有的那这里就不能访问。
    b.foo(a);
	cout << "A类的大小：" << sizeof(A) << endl;
    return 0;
}

五、匿名对象

匿名对象简单理解就是创建一个没有名字的对象，普通对象的创建过程是：类名后面跟要创建的对象名再跟参数列表，就像A aa(1)，创建一个名叫aa的A类型对象。而匿名对象的创建则是，类名后面直接跟参数列表，像A(1)这样。

📖匿名对象的特点

  • 普通匿名对象的生命周期只有一行，即用即销毁。
  • 创建匿名对象无参时要带括号。
  • 匿名对象具有常性。
  • 引用可以延长匿名对象的生命周期，生命周期在当前函数的局部域。（注意：因为匿名对象具有常性，所以一个匿名对象的引用必须时常引用），引用相当于给这个匿名对象取了个名字，使得它可以存活的更久一点。

小Tips ：A aa()是不被允许的，因为它和函数声明无法区分，而A()是允许的。

📖匿名对象的使用场景

  • 利用匿名对象去调用函数
cpp 复制代码 
class Solution {
public:
	int Sum_Solution(int n) {
		//...
		return n;
	}
};
int main()
{
	//利用匿名对象去调用函数
	Solution().Sum_Solution(10);
	return 0;
}

在Solution类中定义了一个函数Sum_Solution，该函数是一个非静态成员函数，此时如果想要调用这个函数就必须通过对象. 才能去调用，因此整个过程分两步，首先要创建一个Solution类型的对象，再去用这个对象调用类里面的函数，而有了匿名对象这个概念之后，可以简化前面的操作，我们就可以在创建匿名对象的同时，通过这个匿名对象去调用类里面的函数。

  • 匿名对象做实参
cpp 复制代码 
void Push_Back(const string& str)
{

}
int main()
{
	//普通做法
	string s1("1111111");
	Push_Back(s1);
	//匿名对象做实参
	Push_Back(string("222222"));
	//利用隐式类型转换
	Push_Back("2222222");
	return 0;
}

六、拷贝对象时的一些编译器优化

在函数调用传值和返回的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝。

📖先给出A类的定义

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}
	A(const A& aa)
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a = aa._a;
		}
		return *this;
	}
	~A()
	{
		//cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

📖案例一

cpp 复制代码 
void f1(A aa)
{
	cout << "void f1(A aa)" << endl;
}
void f1(const A aa)
{
	cout << "void f1(const A aa)" << endl;
}

上面的两个f1函数不会构成重载。

📖案例二

cpp 复制代码 
void f1(A& aa)
{
	cout << "void f1(A& aa)" << endl;
}
void f1(const A& aa)
{
	cout << "void f1(const A& aa)" << endl;
}
int main()
{
	A a;
	f1(a);
	const A b;
	f1(b);
	return 0;
}

上面两个f1函数构成重载，并且在调用的时候不会出现歧义。

📖案例三

cpp 复制代码 
void f1(A aa)
{
	cout << "void f1(A aa)" << endl;
}
void f1(A& aa)
{
	cout << "void f1(const A aa)" << endl;
}
int main()
{
	A a;
	f1(a);
	return 0;
}

上面的两个f1函数在语法上构成重载，但是在调用的时候会出现歧义。

📖案例四

cpp 复制代码 
void f1(A aa)
{
	cout << "void f1(A aa)" << endl;
}
void f1(const A& aa)
{
	cout << "void f1(const A aa)" << endl;
}
int main()
{
	A a;
	f1(a);
	const A b;
	f1(b);
	return 0;
}

上面的两个f1函数在语法上构成重载，但是在调用的时候会出现歧义。

📖案例五

cpp 复制代码 
A Func3()
{
	A aa;
	return aa;
}
int main()
{
	Func3();
	return 0;
}

上面代码虽然只在函数Func3中显式的创建了一个A类型的对象，但是通过打印结果可以看出，他调用了两次构造函数，并且析构了两次。这是因为Func3函数是传值返回，会生成一个临时的中间变量，这里就是用aa去调用拷贝构造，生成一个和aa一模一样的临时中间变量。

📖案例六

cpp 复制代码 
A& Func3()
{
	static A aa;
	return aa;
}
int main()
{
	Func3();
	return 0;
}

案例六由于函数Func3是传引用返回，这里返回的就是aa对象的别名，不会生成临时的中间变量，所以和案例五相比，少调用了一次拷贝构造函数，但前提是：Func3函数返回的对象，在该函数栈帧销毁后还存在。

📖案例七

cpp 复制代码 
A Func5()
{
	A aa;
	return aa;
}
int main()
{
	A ra = Func5();
	return 0;
}

结合案例五来分析，单纯的调用Func5函数应该就会去调用两次构造函数，分别是创建aa时调用构造函数和创建函数返回过程中产生的临时中间变量时调用拷贝构造函数，接着还要用函数的返回值去调用拷贝构造函数创建ra对象，但是从打印结果中可以看出，实际上只调用了一次构造和一次拷贝构造，和我们分析的有所不同，其实呀，这就是编译器对这种连续的拷贝构造进行了优化，优化后直接用aa对象去调用拷贝构造函数创建ra。

📖案例八

cpp 复制代码 
void Func1(A aa)
{}
int main()
{
	A a1;
	Func1(a1);
	cout << "========" << endl;
	Func1(A(2));
	cout << "========" << endl;
	Func1(5);
	cout << "========" << endl;
	A a2 = 6;
	return 0;
}

📖案例九

cpp 复制代码 
A Func5()
{
	A aa;
	return aa;
}

int main()
{
	A a1 = Func5();
	cout << "========" << endl;
	A a2;
	a2 = Func5();
	return 0;
}

对比两次函数调用，第二次函数调用编译器没有进行任何优化，效率大打折扣，我们平时要尽量避免这种函数调用方式。

七、一图理解类和对象

类是对某一类实体（对象）进行描述的，描述该实体（对象）具有哪些属性，哪些功能（方法），描述完成后就形成了一种新的自定义类型，用该自定义类型就可以实例化具体的对象。

🎁结语：

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，您的支持就是春人前进的动力！

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