静态、友好、内在：解析C++中的这些特殊元素和对象复制的优化

W…Y2023-11-08 13:26

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代码仓库分享💕

🍔前言：

前面我们学习了C++中关于类与对象的许多知识点，今天我们继续学习类与对象，最后再总结一下类与对象中的一些关键字内容，以及需要注意的细节。满满的干货，我们之间发车。

目录

static成员

静态成员变量特性

静态成员函数

explicit关键字

友元

友元函数

友元类

内部类

拷贝对象时的一些编译器优化

再次理解类和对象

static成员

static成员相信大家都不陌生，在学习C语言时我们就遇到过此类型的关键字，对与它在C++的类中，他有这样的概念：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，称之为静态成员变量；用static修饰的成员函数，称之为静态成员函数。静态成员变量一定要在类外进行初始化。

面试题：实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
A() { ++_scount; }
A(const A& t) { ++_scount; }
~A() { --_scount; }
static int GetACount() { return _scount; }
private:
static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
void TestA()
{
cout << A::GetACount() << endl;
A a1, a2;
A a3(a1);
cout << A::GetACount() << endl;
}

上述程序中我们知道无论是构造函数或者是拷贝构造函数的调用都会产生类对象，而调用析构函数就会消耗一个类对象。最先开始我们想到的是建立一个全局变量count进行计数。但是这样会非常不严谨，因为这个全局count可以被任意修改，如果我们在private中建立一个私有的变量count进行计数，那肯定也是不行的，因为在每创建一个对象时都会有一个count的诞生。

针对这样的问题，C++就提出了static修饰成员变量的做法。

静态成员变量特性

  1. 静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，存放在静态区

2.静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字，类中只是声明

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A() { ++_scount; }
	A(const A & t) { ++_scount; }
	~A() { --_scount; }
	static int GetACount() { return _scount; }
//private:
	static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
void TestA()
{
	cout << A::GetACount() << endl;
	A a1, a2;
	A a3(a1);
	cout << A::GetACount() << endl;
}
int main()
{
	A::_scount++;
	cout << A::_scount << endl;
	TestA();
	cout << A::_scount << endl;
	return 0;
}

如果我们将静态成员变量设置为公有，我们就可以在函数中进行访问，不需要在类中专门写一个函数进行访问。

  1. 类静态成员即可用 类名::静态成员 或者 对象.静态成员 来访问
cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A() { ++_scount; }
	A(const A& t) { ++_scount; }
	~A() { --_scount; }
	static int GetACount() { return _scount; }
	//private:
	static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
void TestA()
{
	cout << A::GetACount() << endl;
	A a1, a2;
	A a3(a1);
	cout << A::GetACount() << endl;
}
int main()
{
	A aa;
	cout << &A::_scount << endl;
	cout << &aa._scount << endl;
	return 0;
}

我们可以使用::进行访问静态成员变量，也可以使用对象.静态成员进行访问。这两个的意义是一样的，aa只是声明一下静态成员变量在类中，并没有其余实际意义。得到的地址是相同的。

静态成员函数

我们在调用私有的成员时，通常会写一个函数进行访问。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A() { ++_scount; }
	A(const A& t) { ++_scount; }
	~A() { --_scount; }
    int GetACount() { return _scount; }
	private:
	static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
int main()
{
	A aa;
	cout << aa.GetACount() - 1 << endl;
	return 0;
}

我们是为了知道有多少个类对象从而创建一个类进行调用函数进行求和，所以我们在得出结果时需要进行-1操作。这样的操作非常的拉跨，我们有时候会忘记这样的操作从而导致结果出错，所以我们也可以使用匿名对象。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A() { ++_scount; }
	A(const A& t) { ++_scount; }
	~A() { --_scount; }
    int GetACount() { return _scount; }
	private:
	static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
int main()
{
	//A()叫做匿名对象，生命周期只在这一行
	cout << A().GetACount() << endl;
	return 0;
}

它会在使用匿名对象后直接调用析构函数直接销毁，与创建对象不同，创建后其对象的销毁是在程序结束。

但这两种写法都不是最好的写法，最好的写法是使用静态成员函数：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A() { ++_scount; }
	A(const A& t) { ++_scount; }
	~A() { --_scount; }
	static int GetACount() { return _scount; }
	private:
	static int _scount;
};
int A::_scount = 0;
int main()
{
	//A()叫做匿名对象，生命周期只在这一行
    cout << A::GetACount() << endl;
	cout << A().GetACount() << endl;
	return 0;
}

静态成员函数没有隐藏的this指针，不能访问任何非静态成员，所以我们直接进行::访问即可，但是使用之前的方法可以吗？也是可以的，因为我们调用函数所提供的条件是大于函数调研所需要的条件的！！！

总结：静态成员变量与静态成员函数本质上与全局变量与全局函数是类似的，但是其专属于某个类中，受类域与访问限定符的修饰！

牛客OJ练习https://www.nowcoder.com/practice/7a0da8fc483247ff8800059e12d7caf1?tpId=13&tqId=11200&tPage=3&rp=3&ru=/ta/coding-interviews&qru=/ta/coding-interviews/question-ranking上述题就可以很好的体现出static的作用。

代码如下：

cpp 复制代码 
class countt
{
public:
    countt()
    {
        _ret += _i;
        ++_i;
    }
    static int GetRet()
    {
        return _ret;
    }
private:
    static int _i;
    static int _ret;
};
int countt::_i = 1;
int countt::_ret = 0;
class Solution {
public:
    int Sum_Solution(int n) {
        countt arr[n];
        return countt::GetRet();
    }
};

explicit关键字

上次博客中我们学习了初始化列表，那我们在构造函数中就可以有多种初始化方式。

cpp 复制代码 
class A {
public:
	A(int a)
		:_a(a)
	{
		
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A aa1(1);
	A aa2();
	A aa3 = 3;
	return 0;
}

前两种调用A aa1(1)、 A aa2()，我们都非常熟悉，但是第三种是什么方法？第三种方法是将内置类型隐式转换成自定义类型。就如同一个int类型的变量转换成double。它们的原理都是形成一个临时变量进行拷贝构造，然后再进行赋值。

但是能进行隐式转换是有条件的，得具有单参数构造函数或传一个参数的半缺省函数支持才行。如果没有其对应的构造函数就不能进行内置类型转向自定义类型。

cpp 复制代码 
class A {
public:
	A(int a)
		:_a(a)
	{
		
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	int* p = nullptr;
	A aa = p;
	return 0;
}

如果我们不想将其进行转换，C++提供了一个关键字explicit进行限制隐式类型的转换。

cpp 复制代码 
class A {
public:
	explicit A(int a)
		:_a(a)
	{

	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A aa3 = (A)3;
	return 0;
}

但是我们使用强制类型转换是可以进行的，所以explicit关键字只是限制隐式转换！！！

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
    explicit Date(int year)
:_year(year)
{}
explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}

private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
void Test()
{
Date d1(2022);
Date d2 = 2023;
//C++98不支持、C++11支持多参数的隐式转换：
Date d3 = {2023, 11, 5};

return 0;
}

友元

友元提供了一种突破封装的方式，有时提供了便利。但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以

友元不宜多用。
友元分为：友元函数和友元类

友元函数

问题：现在尝试去重载operator<<，然后发现没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的

输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作

数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以要将operator<<重载成

全局函数。但又会导致类外没办法访问成员，此时就需要友元来解决。operator>>同理。

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
  : _year(year)
  , _month(month)
  , _day(day)
{}
// d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
// 因为成员函数第一个参数一定是隐藏的this，所以d1必须放在<<的左侧
ostream& operator<<(ostream& _cout)
{
  _cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
  return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};

友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在

类的内部声明，声明时需要加friend关键字。

cpp 复制代码 
class Date
{
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
_cin >> d._year;
_cin >> d._month;
_cin >> d._day;
return _cin;
}
int main()
{
Date d;
cin >> d;
cout << d << endl;
return 0;
}

说明:

友元函数可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，不受类访问限定符限制

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

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非公有成员。

友元关系是单向的，不具有交换性。
比如上述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，但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行。
友元关系不能传递
如果C是B的友元， B是A的友元，则不能说明C时A的友元。
友元关系不能继承，在继承位置再给大家详细介绍。

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;
};

内部类

概念：如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。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：内部类就是外部类的友元类，参见友元类的定义，内部类可以通过外部类的对象参数来访

问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。所以B就是A的友元，B就是一个普通类，只是受A的类域与访问限定符限制。

cpp 复制代码 
class A
{
private:
	int h;
public:
	class B 
	{
	public:
		int _b = 1;
	};
};
int main()
{
	A a;
	A::B b;
	return 0;
}

特性：

  1. 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。

  2. 注意内部类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。

拓展：C++内部类可以访问外部类的私有成员，要是访问非静态成员时，需要通过对象引用传递指向外部类对象的指针来实现！

cpp 复制代码 
class OuterClass {
private:
  int num = 100;
public:
  void display()
    cout << "OuterClass num:"<< num << endl;
  
  class InnerClass {
  public:
    void accessOuter(OuterClass& obj)
      cout << "InnerClass access OuterClass num:"<< obj.num << endl;
  };
};
int main() {
  OuterClass obj1;
  obj1.display();
  OuterClass::InnerClass obj2;
  obj2.accessOuter(obj1);
  return 0;
}
  1. sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。
cpp 复制代码 
class A
{
private:
	int h;
public:
	class B // B天生就是A的友元
	{
	public:
		int _b = 1;
	};
};
class C
{
private:
	int h;
};
class D
{
private:
	int _d = 1;
	C _c;
};
int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
	cout << sizeof(D) << endl;
	return 0;
}

所以不要搞混淆了。

拷贝对象时的一些编译器优化

在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝，这个在一些场景下还

是非常有用的。

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;
};
void f1(A aa)
{}
A f2()
{
A aa;
return aa;
}
int main()
{
// 传值传参
A aa1;
f1(aa1);
cout << endl;
// 传值返回
f2();
cout << endl;
// 隐式类型，连续构造+拷贝构造->优化为直接构造
f1(1);
// 一个表达式中，连续构造+拷贝构造->优化为一个构造
f1(A(2));
cout << endl;
// 一个表达式中，连续拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造
A aa2 = f2();
cout << endl;
// 一个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载->无法优化
aa1 = f2();
cout << endl;
return 0;
}

再次理解类和对象

现实生活中的实体计算机并不认识，计算机只认识二进制格式的数据。如果想要让计算机认识现

实生活中的实体，用户必须通过某种面向对象的语言，对实体进行描述，然后通过编写程序，创

建对象后计算机才可以认识。比如想要让计算机认识洗衣机，就需要：

  1. 用户先要对现实中洗衣机实体进行抽象---即在人为思想层面对洗衣机进行认识，洗衣机有什

么属性，有那些功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程

  1. 经过1之后，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认识，只不过此时计算机还不清

楚，想要让计算机识别人想象中的洗衣机，就需要人通过某种面相对象的语言(比如：C++、

Java、Python等)将洗衣机用类来进行描述，并输入到计算机中

  1. 经过2之后，在计算机中就有了一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣

机对象进行描述的，通过洗衣机类，可以实例化出一个个具体的洗衣机对象，此时计算机才

能洗衣机是什么东西。

  1. 用户就可以借助计算机中洗衣机对象，来模拟现实中的洗衣机实体了。

在类和对象阶段，大家一定要体会到，类是对某一类实体(对象)来进行描述的，描述该对象具有那
些属性，那些方法，描述完成后就形成了一种新的自定义类型，才用该自定义类型就可以实例化
具体的对象。

以上就是本次类对象的全部内容，感谢大家观看！！！

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