cpp_07_类型转换构造_析构函数_深拷贝_静态成员

wwwwood2024-01-01 0:07

1 类型转换构造函数

1.1 why?

基本类型之间的转换，编译器内置转换规则：int -> double

类类型之间的转换，编译器不知道转换规则，需要用户提供：Cat -> Dog

cpp 复制代码 
// consconv_why.cpp 为什么需要自定义转换
#include <iostream>
using namespace std;

class Cat {
public:
    Cat( const char* name ) : m_name(name) {
        //【string m_name(name);】
    }
    void talk( ) {
        cout << m_name << ": 喵喵~~~" << endl;
    }
private:
    string m_name;
};

class Dog {
public:
    Dog( const char* name ) : m_name(name) {
        //【string m_name(name);】
    }
    void talk( ) {
        cout << m_name << ": 汪汪~~~" << endl;
    }
private:
    string m_name;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    Cat smallwhite("小白");
    smallwhite.talk( );

    Dog bigyellow = smallwhite; // Cat --> Dog

    return 0;
}

1.2 理论

定义：1）单参构造 (同于拷贝构造函数)

2）参数类型与类类型不同 (异于拷贝构造函数)

(单参构造就2种，参数类型同于类类型，就是拷贝构造，否则就是类型转换构造)

class 目标类型 {

目标类型 ( const 源类型& src ) { ... } // 类型转换构造函数

};

用于：

1）利用一个已定义的对象，来定义另一个不同类型的对象

2）实现从源类型到目标类型的隐式类型转换

通过explicit关键字，可以强制 这种通过类型转换构造函数实现的类型转换 必须通过静态转换显示地进行：

class 目标类型 {

explicit 目标类型 ( const 源类型& src ) { ... };

};

cpp 复制代码 
// consconv.cpp
// 类型转换构造函数 -- 指定 源类型 到 目标类型 的 转换规则
#include <iostream>
using namespace std;

class Cat {
public:
    explicit Cat( const char* name ) : m_name(name) { // 类型转换构造函数
        //【string m_name(name);】
        cout << "Cat类的类型转换构造函数被调用" << endl;
    }
    void talk( ) {
        cout << m_name << ": 喵喵~~~" << endl;
    }
private:
    string m_name;
    friend class Dog; // 友元声明
};

class Dog {
public:
    Dog( const char* name ) : m_name(name) { // 类型转换构造函数
        //【string m_name(name);】
    }
    explicit Dog( const Cat& c ) : m_name(c.m_name) { // 类型转换构造函数(Cat-->Dog的转换规则)
        //【string m_name=c.m_name;】
        cout << "Dog类的类型转换构造函数被调用" << endl;
    }
    void talk( ) {
        cout << m_name << ": 汪汪~~~" << endl;
    }
private:
    string m_name;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
//  Cat smallwhite("小白"); // 定义smallwhite,利用smallwhite.Cat("小白")->类型转换构造函数

//  Cat smallwhite = "小白"; // 定义 匿名Cat类对象,利用 匿名Cat类对象.Cat("小白")->隐式转换
                             // Cat smallwhite=匿名Cat类对象-->克隆
   
    Cat smallwhite = static_cast<Cat>("小白"); 
                             // 定义 匿名Cat类对象,利用 匿名Cat类对象.Cat("小白")->静态转换
                             // Cat smallwhite=匿名Cat类对象-->克隆
    smallwhite.talk( );

//    Dog bigyellow(smallwhite); // 定义bigyellow,利用bigyellow.Dog(smallwhite)->类型转换构造函数

//    Dog bigyellow = smallwhite; // 定义 匿名Dog类对象,利用 匿名Dog类对象.Dog(smallwhite)->隐式类型转换
                                // Dog bigyellow = 匿名Dog类对象-->克隆
    Dog bigyellow = static_cast<Dog>(smallwhite); 
                                    // 定义 匿名Dog类对象,利用 匿名Dog类对象.Dog(smallwhite)->静态类型转换
                                    // Dog bigyellow = 匿名Dog类对象-->克隆
    bigyellow.talk( );
    return 0;
}

2 析构函数

2.1 理论

析构函数的函数名就是在类名前面加"~"，没有返回类型也没有参数，不能重载。

在销毁对象之前一刻自动被调用，且仅被调用一次 ：

  • 对象离开作用域 （栈对象离开main函数）

  • delete操作符 （堆对象被释放）

作用：销毁 对象的各个成员变量

如果一个类没有定义析构函数，那么编译器会为其提供一个默认的析构函数：

  • 对基本类型的成员变量，什么也不做。

  • 对类类型的成员变量，调用相应类型的析构函数。

  • 销毁 对象的各个成员变量

2.2 析构过程

对象的销毁过程：

1）调用析构函数（陷）

  • 执行自己在析构函数中书写的代码

  • 利用类成员变量调用相应的析构函数

  • 释放对象的各成员变量所占内存空间

2）释放整个对象所占用的内存空间 （皮）

cpp 复制代码 
// 析构函数
#include <iostream>
using namespace std;

class Human {
public:
//  如果类没有提供任何构造函数,编译器将提供一个无参的构造函数
/*  Human() {
       【int m_age;】定义m_age,初值为随机数
       【string m_name;】定义m_name,利用m_name.string()
    }*/
    Human( int age=0, const char* name="无名" ) : m_age(age),m_name(name) {
        //【int m_age=age;】定义m_age,初值为age
        //【string m_name(name);】定义m_name,利用m_name.string(name)
        cout << "Human类缺省构造函数被调用" << endl;
    }
//  如果类没有提供拷贝构造函数,编译器将提供一个默认的拷贝构造函数
/*  Human( const Human& that ) { 
       【int m_age=that.m_age;】定义m_age,初值为that.m_age
       【string m_name(that.m_name);】定义m_name,利用m_name.string(that.m_name)-->string类拷贝构造函数
    }*/
    Human( const Human& that ) : m_age(that.m_age), m_name(that.m_name) { 
        //【int m_age=that.m_age;】定义m_age,初值为that.m_age
        //【string m_name(that.m_name);】定义m_name,利用m_name.string(that.m_name)
        cout << "Human类拷贝构造函数被调用" << endl;
    }
//  如果类没有提供拷贝赋值函数,编译器将提供一个默认的拷贝赋值函数
/*  Human& operator=( const Human& that ) {
        this->m_age = that.m_age;
        this->m_name = that.m_name; // this->m_name.operator=(that.m_name)-->string类的拷贝赋值函数
        return *this;
    }*/
    Human& operator=( const Human& that ) {
        // 编译器不会再拷贝赋值函数中塞任何操作
        cout << "Human类的拷贝赋值函数被调用" << endl;
        this->m_age = that.m_age;
        this->m_name = that.m_name; // this->m_name.operator=(that.m_name)-->string类的拷贝赋值函数
        return *this;
    }
//  如果类没有提供析构函数,编译器将提供一个默认的析构函数
/*  ~Human() {
        对于基本类型成员变量m_age,什么都不做
        对于类类型成员变量m_name,利用 m_name.~string()
        释放 m_age/m_name 本身所占内存空间
    }*/
    
    ~Human() {
        cout << "Human类的析构函数被调用" << endl;
        // 对于基本类型成员变量m_age,什么都不做
        // 对于类类型成员变量m_name,利用 m_name.~string()
        // 释放 m_age/m_name 本身所占内存空间
    }
    void getinfo( ) {
        cout << "姓名: " << m_name << ", 年龄: " << m_age << endl;
    }
private:
    int m_age; // 基本类型的成员变量
    string m_name; // 类类型的成员变量
};

// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    Human h; // 定义h,利用h.Human()-->h维护的内容为(无名,0)
    h.getinfo( );

    Human h2(22,"张飞"); // 定义h2,利用h2.Human(22,"张飞")-->h2维护的内容为(张飞,22)
    h2.getinfo();

    Human h3(h2); // = h2; // 定义h3,利用h3.Human(h2)-->触发拷贝构造函数
    h3.getinfo();

    Human h4; // 定义h4,利用h4.Human()-->h4维护的内容为(无名,0)
    cout << "h4被赋值前---";
    h4.getinfo();

    h4 = h3; // h4.operator=(h3)-->触发拷贝赋值函数
    cout << "h4被赋值后---";
    h4.getinfo();
    cout << "------------main will be over----------------" << endl;
    return 0;
} //(1) h.~Human() h2.~Human() h3.~Human() h4.~Human() (2)释放h/h2/h3/h4本身所占的内存空间
  //(1) 删馅                                           (2)删皮

2.3 has to

通常情况下，若对象在其声明周期的最终时刻，并不持有任何动态分配的资源，可以不定义析构函数。

若对象在其声明周期的最终时刻，持有动态资源，则必须定义析构函数，释放对象所持有的动态资源。

cpp 复制代码 
// hastodes必须自己写析构函数的情况 -- 对象临死时，持有动态资源
#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    A(int i) : m_i(i), m_p(new int), m_f(open("./file", O_CREAT|O_RDWR,0644)) {
        //【int m_i=i;】定义m_i,初值为i
        //【int* m_p=new int;】定义m_p,初值为指向一块堆内存(动态资源)
        //【int m_f=open(...);】定义m_f,初值为文件描述符-->文件表等内核结构(动态资源)
    }
    ~A() {
        delete m_p;
        close( m_f ); // 动态资源需要自己写代码释放

        // 释放m_i / m_p / m_f 本身所占内存空间
    }
    /* 默认析构函数
    ~A() {
        释放m_i / m_p / m_f 本身所占内存空间
    }
    */
private:
    int m_i;
    int* m_p;
    int m_f;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    A a; // 定义a,利用a.A()
    return 0;
} // a.~A()  释放a本身所占内存空间

析构函数的功能并不局限在释放资源上，它还可以执行 我们希望在 对象被释放之前 执行的任何操作。

3 深拷贝

3.1 浅拷贝缺陷

如果类不提供拷贝构造，编译器将提供默认的拷贝构造。

无论是 拷贝构造 还是 拷贝赋值 ，其默认实现，对任何类型的指针成员都是简单地复制地址，而并不复制地址指向的数据，这种情况称为浅拷贝。（左图）

为了获得完整意义上的对象副本，必须自己定义 拷贝构造 和 拷贝赋值 ，针对指针型成员变量做深拷贝。（右图）

cpp 复制代码 
// copybytes_pre.cpp 类中有指针成员，默认拷贝构造 会有浅拷贝缺陷
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
// 模拟C++标准的string类 实现自己的String类
class String {
public:
    String( const char* psz="" ) : m_psz(new char[strlen(psz)+1]) {
        //【char* m_psz=new char[strlen(psz)+1];】// 动态资源
        strcpy( m_psz, psz );
    }
    ~String( /* String* this */ ) {
        delete[] this->m_psz;
        // 释放 m_psz 本身所占内存空间
    }
    char* c_str() { return m_psz; }
//  默认的拷贝构造
/*  String( const String& that ) {
        【char* m_psz = that.m_psz;】只复制了地址，没有复制地址指向的数据-->浅拷贝
    }*/ 
private:
    char* m_psz;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    String s1("hello");
    cout << "s1:" << s1.c_str() << ", s1中的m_psz指向的堆内存的地址: " << (void*)s1.c_str() << endl;

    String s2(s1); // = s1; 定义s2,利用s2.String(s1)-->拷贝构造函数
    cout << "s2:" << s2.c_str() << ", s2中的m_psz指向的堆内存的地址: " << (void*)s2.c_str() << endl;
    return 0;
} // s1.~String()  s2.~String()

相对于拷贝构造，拷贝赋值需要做更多的工作：

  • 避免自赋值

  • 分配新资源

  • 拷贝新内容

  • 释放旧资源

  • 返回自引用

cpp 复制代码 
// copybytes.cpp 类中有指针成员，默认拷贝构造 会有浅拷贝缺陷
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
// 模拟C++标准的string类 实现自己的String类
class String {
public:
    String( const char* psz="" ) : m_psz(new char[strlen(psz)+1]) {
        //【char* m_psz=new char[strlen(psz)+1];】// 动态资源
        strcpy( m_psz, psz );
    }
    ~String( /* String* this */ ) {
        delete[] this->m_psz;
        // 释放 m_psz 本身所占内存空间
    }
    char* c_str() { return m_psz; }
//  默认的拷贝构造
/*  String( const String& that ) {
        【char* m_psz = that.m_psz;】只复制了地址，没有复制地址指向的数据-->浅拷贝
    }*/
    // 深拷贝构造函数
    String( const String& that ) : m_psz(new char[strlen(that.m_psz)+1]) {
        //【char* m_psz = new char[strlen(that.m_psz)+1];】
        strcpy( m_psz, that.m_psz ); // 不复制地址，复制地址指向的数据-->深拷贝
    }
    /* 默认拷贝赋值函数
    String& operator=( const String& that ) {
        this->m_psz = that.m_psz; // 只复制了地址，没有复制地址指向的数据-->浅拷贝
        return *this;
    }
    */
    // 深拷贝赋值函数
    String& operator=( const String& that ) {
        if( this != &that ) { // 防止自赋值
            delete[] this->m_psz; // 释放旧资源
            this->m_psz = new char[strlen(that.m_psz)+1]; // 分配新资源
            strcpy( this->m_psz, that.m_psz ); // 拷贝新内容
        }
        return *this; // 返回自引用
    }
private:
    char* m_psz;
};
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    String s1("hello");
    cout << "s1:" << s1.c_str() << ", s1中的m_psz指向的堆内存的地址: " << (void*)s1.c_str() << endl;

    String s2(s1); // = s1; 定义s2,利用s2.String(s1)-->拷贝构造函数
    cout << "s2:" << s2.c_str() << ", s2中的m_psz指向的堆内存的地址: " << (void*)s2.c_str() << endl;

    String s3; // 定义s3，利用s3.String()-->s3维护一个字节堆内存('\0')
    s3 = s2; // s3.operator=(s2)
    cout << "s3:" << s3.c_str() << ", s3中的m_psz指向的堆内存的地址: " << (void*)s3.c_str() << endl;

    return 0;
} // s1.~String()  s2.~String()

3.2 建议

1）只有类中有指针型成员变量，才会涉及深浅拷贝的问题，因此应尽量避免使用指针型成员变量。

2）如果确实无法实现完整意义上的 深拷贝拷贝构造 和 深拷贝拷贝赋值 ，可将它们私有化，禁止用户使用。

4 静态成员

4.1 静态成员变量

静态成员变量 不属于对象 而 属于类：

  • 静态成员变量不包含在对象中，进程级生命期

  • 静态成员变量的定义和初始化，只能在类的外部(即全局域)而不能在构造函数中进行。

  • 静态成员变量依然受 类作用域 和 访问控制限定符 的约束。

  • 访问静态成员变量，既可以通过 类 也可以通过 对象。

  • 静态成员变量为该类的所有对象实例所共享。

cpp 复制代码 
// static.cpp 类的静态成员变量
#include <iostream>
using namespace std;

// 普通成员变量:属于对象,对象的生命期      静态成员变量:不属于对象,进程级生命期
class A {
public:
    A() {
        //【int m_i;】
    }
    int m_i; // 声明
    static int m_si; // 声明
};
int A::m_si = 0; // 全局域中定义-->进程级生命期
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    A a, b; // 静态成员变量没有保存在对象内部-->不属于对象
    cout << "a对象的大小:" << sizeof(a) << endl; // 4
    cout << "b对象的大小:" << sizeof(b) << endl; // 4

    A::m_si = 888; // 静态成员受到类作用域的约束 也受到访问控制限定符的约束-->属于类

    a.m_si = 999; // A::m_si=999;
    cout << "b.m_si=" << b.m_si << endl; // A::m_si
    // 类的静态成员变量，被该类的所有对象共享
    return 0;
}

4.2 静态成员函数

静态成员函数 不属于对象(普通成员函数也不属于对象，更准确地说，不用非要对象来调) 而 属于类：

  • 静态成员函数没有this指针，也没有常属性

  • 静态成员函数依然受 类作用域 和 访问控制限定符的约束

  • 访问静态成员函数，既可以通过 类 也可以通过 对象。（普通成员函数，只对象）

-静态成员函数只能访问静态成员，而非静态成员函数可以访问所有成员。

cpp 复制代码 
// static.cpp 类的 静态成员变量 和 静态成员函数
#include <iostream>
using namespace std;

// 普通成员函数：必须利用对象来调用      静态成员函数：不是必须利用对象来调用
class A {
public:
    int m_i; // 普通成员变量
    void foo( /* const A* this */ ) const { // 普通成员函数
        cout << "foo is invoked" << endl;
        cout << m_i << endl; // ok
        cout << m_si << endl;// ok
        bar();               // ok
//      以上三行代码证明 非静态成员函数 即可访问非静态成员 也可访问 静态成员(不挑食)
    }

    static int m_si; //静态成员变量
    static void bar( /*无this指针*/ ) /*const*/ { // 静态成员函数
        cout << "bar is invoked" << endl;
        cout << m_si << endl; // ok
//      cout << m_i << endl;  // error
//      foo();                // error
//      以上三行代码证明 静态成员函数 只能访问 静态成员，不能访问非静态的普通成员(挑食)
    }
};
int A::m_si = 0; // 全局域中定义-->进程级生命期
// 模拟类的设计者(类库、别人设计的类、自己设计的类)
// --------------------------------
// 模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    A a, b;
    a.foo(); // foo(&a);
    b.foo(); // foo(&b);

    A::bar(); // 受到类作用域的约束 也受到访问控制限定符的约束-->属于类
    a.bar(); // A::bar();
    b.bar(); // A::bar();
    return 0;
}

4.3 总结

事实上，类的静态成员变量和静态成员函数，更像是普通的全局变量和全局函数，

只是多了一层类作用域和访问控制限定符的约束，

相当于 具有成员访问属性的全局变量和全局函数。

5 类 扩充

空类对象的大小是1个字节。

类中不能包含 本类对象 作为 普通成员变量；

类中可以包含 本类对象 作为 静态成员变量。

cpp 复制代码 
// class_add
#include <iostream>
using namespace std;
/*
class A { // 空类
};
int main( void ) {
    A a; // 空类对象占1个字节内存(1个字节的垃圾数据)
    A& ra = a;
    cout << "空类对象a的大小: " << sizeof(a) << endl;
    return 0;
}
*/


class A {
public:
    int m_i;
//  A m_a; // error
    static A m_sa; // ok
};
int main( void ) {
    A a; // 定义a(给a分配内存空间)
    cout << "对象a的大小: " << sizeof(a) << endl;
    return 0;
}

6 单例模式

要求：设计一个类，要求用户在使用这个类时仅有一个实例（只能出现一个对象）:

class Singleton {

// 设计这个类

};

int main(void) {

// 用户这里只能出现一个Singleton类对象，不能出现第二个

return 0;

}

实现方法：

1）将 包括类的拷贝构造函数在内的所有构造函数 私有化，防止user在类的外部创建对象。

2）唯一的对象由类的设计者来创建

3）提供公有静态成员函数getInstance()使用户可以获取到唯一对象。

单例分类：

1）饿汉式：无论用不用，程序启动即创建 hungry.cpp （不推荐）

2）懒汉式：用的时候创建，不用了即销毁 lazy.cpp （推荐）

cpp 复制代码 
// hungry_singleton.cpp
// 单例模式--要求设计一个类型，用户在使用这个类时只能出现一个对象
#include <iostream>
using namespace std;
// 饿汉式单例
class Singleton {
public://4        //5
    static Singleton& getInstance( ) {
        return s_instance;
    }
private:
    Singleton( ) {} // 1
    Singleton( const Singleton& that ) {} // 6
    static Singleton s_instance; // 2 唯一对象
};

Singleton Singleton::s_instance; // 3

// 以上代码模拟类的设计者
// -----------------------
// 以下代码模拟类的使用者
int main( void ) {
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance( );
    Singleton& s2 = Singleton::getInstance( );
    Singleton& s3 = Singleton::getInstance( );
    cout << "&s1: " << &s1 << ", &s2: " << &s2 << ", &s3: " << &s3 << endl;
    return 0;
}
cpp 复制代码 
// lazy_singleton.cpp
// 单例模式:设计一个类，保证用户在使用这个类时，只能出现一个对象
#include <iostream>
using namespace std;
// 懒汉式单例:单例高级实现手法
class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance( ) {
        if( s_instance==NULL ) {
            s_instance = new Singleton; // 唯一的对象
            cout << "创建了唯一的对象" << endl;
        }
        ++s_counter;
        return *s_instance;
    }
    void releaseInstance( ) {
        if( --s_counter == 0 ) {
            delete s_instance;
            s_instance = NULL;
            cout << "销毁了唯一的对象" << endl;
        }
    }
private:
    Singleton() {} 
    Singleton( const Singleton& that ) {} 
    static Singleton* s_instance; // 并不是唯一对象,仅仅是一个指针而已
    static int s_counter; // 计数功能
};

Singleton* Singleton::s_instance = NULL; // 程序刚刚时，唯一的对象不存在 
int Singleton::s_counter = 0;

// 以上的代码模拟类的设计者(例如:类库、被人设计的类、自己的设计的类)
// -------------------------------------
// 以下的代码模拟用户(使用类的人)
int main( void ) {
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance(); // 第一次调用getInstance函数时,创建唯一的对象
    Singleton& s2 = Singleton::getInstance(); // 以后再调用getInstance函数时,返回第一次调用时创建的对象
    Singleton& s3 = Singleton::getInstance(); // ...
    cout << "&s1: " << &s1 << ", &s2: " << &s2 << ", &s3: " << &s3 << endl;
    s1.releaseInstance( ); //
    s2.releaseInstance( ); // 
    s3.releaseInstance( ); // 最后一次调用releaseInstance才将对象销毁
    return 0;
}
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