C++类与对象（中）

Jamo@2024-03-11 16:25

文章目录

1.类的6个默认成员函数

空类:也就是什么成员都没有的类。

但事实上，空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成以下6个默认成员函数。

默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

2.类的构造函数

概念：

构造函数：创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次

c++ 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
// 以下构造函数只能存在一个！！！
    // 无参默认构造函数
    Date()
    {
        _year = 1900;
        _month = 1;
        _day = 1;
    }
    // 全缺省默认构造函数
    Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    // 编译器生成的默认构造函数


    // C++11补丁新增内置类型成员变量（int char double 指针....）在类中声明时可以给默认值，此处仍是声明不是定义！！！
private:
    int _year = 0;
    int _month = 0;
    int _day = 0;
};
// 以下测试函数能通过编译吗？
void Test()
{
    Date d1;
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

特性：

  • 函数名与类名相同，无返回值类型
  • 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数
  • 构造函数可以重载。
  • 构造函数的并不是开辟空间创建对象，而是初始化对象
  • 如果类中没有显式定义构造函数，则编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，而用户显式定义编译器将不再生成
  • 不实现构造函数的情况下，编译器会生成默认的构造函数，此默认构造函数对内置类型不起作用，只对自定义类型初始化
  • C++11中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。

3.析构函数

概念：

析构函数：与构造函数功能相反，析构函数不是完成对对象本身的销毁，局部对象销毁工作是由编译器在栈区上完成的。而对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理工作，一般清理的是堆上malloc开辟出来的空间

  • 函数名是在类名前加上字符 ~，无参数，无返回值类型
  • 一个类只能有一个析构函数。若未显式定义，系统会自动生成默认的析构函数，析构函数不能重载
  • 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数
  • 如果类中没有申请资源时，析构函数可以不写，直接使用编译器生成的默认析构函数，有资源申请时，一定要写，否则会造成资源泄漏，比如Stack类需要动态开辟空间
c++ 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class stack
{
public:

	void Push(const int& data)
	{
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}

	// 半缺省构造函数
	stack(int capacity = 10)
	{
		cout << "构造" << endl;
		_array = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_size = 0;
		_capacity = capacity;
	}

	// 析构函数
	~stack()
	{
		cout << "析构" << endl;
		free(_array);
		_array = NULL;
		_size = 0;
		_capacity = 0;
	}

	// 拷贝构造函数：深拷贝
	stack(const stack& st)
	{
		cout << "拷贝构造" << endl;

		_array = (int*)malloc(st._capacity * sizeof(int));
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_size = st._size;
		_capacity = st._capacity;
	}
private:
	int* _array;
	int _size;
	int _capacity;

};

int main()
{
	stack st1;
	stack st2(st1);
	return 0;
}

4. 拷贝构造函数

概念：

拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰，防止原本对象被修改)，在创建对象时，可以创建一个与已存在对象一某一样的新对象

特性：

  • 函数名是类名，无返回值类型，参数只有一个且必须是类对象的引用，使用传值方式编译器会报错，因为会引发无穷递归调用

  • 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式

  • 若未显式定义拷贝构造函数，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数根据对象按内存大小存储，按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝

  • 类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数写不写都可以，一旦涉及到资源申请时，则拷贝构造函数一定要写成深拷贝的，否则默认拷贝构造函数为浅拷贝

    ​

c++ 复制代码 
// 拷贝构造：浅拷贝
#include <iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
    ~Date()
    {
        cout << "~Data()" << endl;
    }
    Date(int year = 2024, int month = 1, int day = 1)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Data()" << endl;
    }
    /*
    拷贝构造函数：浅拷贝
    Date(const Date& d)
    {
        _year = d._year;
        _month = d._month;
        _day = d._day;
        cout << "Data(Date& d)" << endl;
    }
    */
private:
    int _year = 0;
    int _month = 0;
    int _day = 0;
};

int main()
{
    // c++规定自定义类型都会调用拷贝构造，传引用传参就不会调用拷贝构造了，否则会无限递归
    Date d1(2024,1,28);
    Date d2(d1);
    return 0;
}
c++ 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class stack
{
public:
    
	void Push(const int& data)
	{
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	// 半缺省构造函数
	stack(int capacity = 10)
	{
		_array = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_size = 0;
		_capacity = capacity;
		cout << "构造" << endl;
	}

	// 析构函数
	~stack()
	{
		free(_array);
		_array = NULL;
		_size = 0;
		_capacity = 0;
	}

	// 拷贝构造函数：深拷贝
	stack(const stack& st)
	{
		_array = (int*)malloc(st._capacity * sizeof(int));
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_size = st._size;
		_capacity = st._capacity;
	}

private:
	int* _array;
	int _size;
	int _capacity;

};

int main()
{
	stack st1;
	stack st2(st1);
	return 0;
}

5.赋值运算符和运算符重载

运算符重载

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似

  • 重载操作符必须有一个类类型参数
  • 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不能改变其含义
  • 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this指针
  • .* :: sizeof ?: . 注意以上5个运算符不能重载

赋值运算符重载

  • 参数类型：const T&，传递引用可以提高传参效率
  • 返回值类型：T&，返回引用可以提高返回的效率，有返回值目的是为了支持连续赋值
  • 检测是否自己给自己赋值
  • 返回*this ：符合连续赋值的含义

赋值运算符只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数？

  • 赋值运算符的左操作数是被赋值的对象本身，而右操作数是要赋给该对象的值。因此，赋值运算符的操作涉及到两个对象：被赋值对象和赋值对象。如果定义为全局函数，就需要两个参数，而如果定义为成员函数，就只需要一个参数，因为左操作数可以通过this指针访问。
  • 如果定义为全局函数，就可能出现二义性，因为编译器会为每个类隐式地定义一个赋值运算符。如果再定义一个全局的赋值运算符，就会导致编译器无法确定调用哪个函数。
  • 如果定义为全局函数，就可能破坏类的封装性，因为全局函数无法访问类的私有成员或静态成员。如果要访问这些成员，就需要将全局函数声明为类的友元函数，这样就会增加类的复杂性和耦合性。
  • 如果定义为全局函数，就可能导致语义不清，因为赋值运算符通常是类的内在行为，与类的具体实现密切相关。如果将赋值运算符定义为全局函数，就会使得类的实现细节暴露给外部，降低了类的抽象性和可维护性。

为什么运算符重载可以重载成全局函数呢？

  • 全局函数可以支持左操作数不是类对象的情况，例如可以将数字和向量对象相乘，而不仅仅是向量对象和数字相乘。
  • 全局函数可以避免重载运算符时的二义性，例如如果重载赋值运算符为全局函数，就不会与编译器隐式定义的赋值运算符冲突。
  • 全局函数可以提高运算符的灵活性和通用性，例如可以重载输入/输出运算符，使得可以用 cout 和 cin 来输出和输入类对象。
  • 全局函数可以保持运算符的对称性，例如如果重载加法运算符为全局函数，就可以同时支持 a+b 和 b+a 的形式，而不需要为每种情况都定义一个成员函数。

6.日期类实现

Date.h:

c++ 复制代码 
#pragma once
#include<assert.h>
#include<iostream>
using namespace std;

// 日期类实现
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 1, int day = 1);
	~Date();
	Date(const Date& d);	// 同类型对象进行初始化

	// 获取某年某月的天数
	int GetMonthDay(int year, int month) const	// 直接在类中定义相当于inline内联展开（此函数我们后续需要频繁调用）
	{
		assert(month > 0 && month < 13);
		static int monthday[] = { 0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 };// 数组放到静态区，增加程序效率
		// 1.四年一润百年不润 2.四百年一润
		if (month == 2 && ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || year % 400 == 0))
		{
			return 29;
		}
		return monthday[month];
	}
	/*
		将const修饰的"成员函数"称之为const成员函数，const修饰类成员函数，
		实际修饰该成员函数隐含的this指针指向的内容，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改
	*/
	void Print() const
	{
		cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
	}

	/*
	1.	运算符重载成全局的就需要成员变量是公有的，问题来了，封装性如何保证？友元解决或者干脆重载成类的成员函数
	2.	赋值运算符只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数
	*/
	bool operator==(const Date& d) const;
	bool operator>(const Date& d) const;
	bool operator >= (const Date& d) const;
	bool operator < (const Date& d) const;
	bool operator <= (const Date& d) const;
	bool operator != (const Date& d) const;

	Date operator=(const Date& d);
	Date operator+(int day) const;
	Date& operator+=(int day);
	Date operator-(int day) const;
	Date& operator-=(int day);

	// 前置++运算符重载
	Date& operator++();
	// 后置++运算符重载
	Date operator++(int);
	// 前置--运算符重载
	Date& operator--();
	// 后置--运算符重载
	Date operator--(int);

	// 流插入 << 重载:返回值目的为了支持连续性
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	// 流提取 >> 重载:返回值目的为了支持连续性
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);


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

Date.cpp：

c++ 复制代码 
#include"Date.h"
// 声明和定义分离

// 构造函数
Date::Date(int year, int month, int day)
{
	this->_year = year;
	this->_month = month;
	this->_day = day;
}

// 深度拷贝构造函数
Date::Date(const Date& d)
{
	this->_year = d._year;
	this->_month = d._month;
	this->_day = d._day;
}

// 析构函数
Date::~Date()
{
	this->_year = 2024;
	this->_month = 1;
	this->_day = 1;
}

bool Date::operator==(const Date& d) const
{
	return _year == d._year && _month == d._month && _day == d._day;
}

bool Date::operator>(const Date& d) const
{
	if (_year > d._year)
	{
		return true;
	}
	else if (_year == d._year)
	{
		if (_month > d._month)
		{
			return true;
		}
		else if (_month == d._month)
		{
			if (_day > d._day)
			{
				return true;
			}
		}
	}
	return false;
}

bool Date::operator >= (const Date& d) const
{
	return *this == d || *this > d;
}

bool Date::operator < (const Date& d) const
{
	return !(*this >= d);
}

bool Date::operator <= (const Date& d) const
{
	return !(*this > d);
}

bool Date::operator != (const Date& d) const
{
	return !(*this == d);
}

Date Date::operator=(const Date& d)
{
	if (this != &d)
	{
		this->_year = d._year;
		this->_month = d._month;
		this->_day = d._day;
	}
	return *this;
}

Date Date::operator+(int day) const
{
	Date tmp = *this;// 赋值重载拷贝防止原来的日期被改变
	tmp._day = tmp._day + day;
	int monthday = Date::GetMonthDay(tmp._year, tmp._month);
	if (tmp._day <= monthday)
	{
		return tmp;
	}
	while (tmp._day > monthday)
	{
		monthday = Date::GetMonthDay(tmp._year, tmp._month);
		tmp._day = tmp._day - monthday;
		if (tmp._month < 12)
		{
			tmp._month++;
		}
		else
		{
			tmp._month = 1;
			tmp._year++;
		}
	}
	return tmp;
}

Date& Date::operator+=(int day)
{
	this->_day = this->_day + day;
	int monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
	if (this->_day <= monthday)
	{
		return *this;
	}
	while (this->_day > monthday)
	{
		monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
		this->_day = this->_day - monthday;
		if (this->_month < 12)
		{
			this->_month++;
		}
		else
		{
			this->_month = 1;
			this->_year++;
		}
	}
	return *this;
}

Date Date::operator-(int day) const
{
	Date tmp = *this;// 赋值重载拷贝防止原来的日期被改变
	tmp._day = tmp._day - day;
	int monthday = Date::GetMonthDay(tmp._year, tmp._month);
	if (tmp._day > 0)
	{
		return tmp;
	}
	while (tmp._day <= 0)
	{
		if (tmp._month == 1)
		{
			tmp._month = 12;
			tmp._year--;
		}
		else
		{
			tmp._month--;
		}
		monthday = Date::GetMonthDay(tmp._year, tmp._month);
		tmp._day = tmp._day + monthday;
	}
	return tmp;
}

Date& Date::operator-=(int day)
{
	this->_day = this->_day - day;
	int monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
	if (this->_day > 0)
	{
		return *this;
	}
	while (this->_day <= 0)
	{
		if (this->_month == 1)
		{
			this->_month = 12;
			this->_year--;
		}
		else
		{
			this->_month--;
		}
		monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
		this->_day = this->_day + monthday;
	}
	return *this;
}

// 前置++
Date& Date::operator++()
{
	this->_day++;
	int monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
	if (this->_day > monthday)
	{
		this->_month++;
		this->_day = this->_day - monthday;
		if (this->_month > 12)
		{
			this->_month = 1;
			this->_year++;
		}
	}
	// 返回的是对象++后的全新的对象
	return *this;
}

// 后置++
Date Date::operator++(int)// 注意为何返回值区分了对象本身和对象的引用，在后置++中我们返回的是tmp这个局部变量因此只能返回局部对象的拷贝而不能返回引用
{
	Date tmp = *this;
	this->_day++;
	int monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
	if (this->_day > monthday)
	{
		this->_month++;
		this->_day = this->_day - monthday;
		if (this->_month > 12)
		{
			this->_month = 1;
			this->_year++;
		}
	}
	//返回的是对象++之前的对象的拷贝
	return tmp;
}

// 前置--
Date& Date::operator--()
{
	this->_day--;
	if (this->_day > 0)
	{
		return *this;
	}
	else
	{
		this->_month--;
		if (this->_month == 0)
		{
			this->_month = 12;
			this->_year--;
		}
		int monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
		this->_day = this->_day + monthday;
		return *this;
	}
}

// 后置--
Date Date::operator--(int)
{
	Date tmp = *this;
	this->_day--;
	if (this->_day > 0)
	{
		return tmp;
	}
	else
	{
		this->_month--;
		if (this->_month == 0)
		{
			this->_month = 12;
			this->_year--;
		}
		int monthday = Date::GetMonthDay(this->_year, this->_month);
		this->_day = this->_day + monthday;
		return tmp;
	}
}

// 友元函数
//
// 流插入 << 重载
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	cout << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
	return out;
}
// 流提取 >> 重载
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	cout << "请依次输入年月日：" << endl;
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
}

7.const成员

将const修饰的"成员函数"称之为const成员函数，const修饰类的成员函数，实际修饰该成员函数隐含的this指针指向的内容，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改

读函数：建议加const

写函数：谨慎加const

c++ 复制代码 
// 读函数
void Print() const
{
	cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
}

// 写函数
// 构造函数
Date::Date(int year, int month, int day) const //错误const加入
{
	this->_year = year;
	this->_month = month;
	this->_day = day;
}
  1. [const对象不能调用非const成员函数，因为这样会破坏const对象的不可变性，或者导致类型不匹配的错误。如果非要调用非const成员函数，就需要使用const_cast来强制去除const限定]。
  2. [非const对象可以调用const成员函数，因为这样不会改变非const对象的状态，或者导致类型不匹配的错误。非const对象可以隐式转换为const对象，从而调用const成员函数]。
  3. [const成员函数不能调用其它的非const成员函数，因为这样会破坏const成员函数的不可变性，或者导致类型不匹配的错误。如果非要调用非const成员函数，就需要对this指针使用const_cast来强制去除const限定]。
  4. [非const成员函数可以调用其它的const成员函数，因为这样不会改变非const成员函数的状态，或者导致类型不匹配的错误。非const成员函数可以隐式转换为const成员函数，从而调用const成员函数]。

总之，const的调用满足权限可以缩小但不可以放大，也就是说非const修饰的对象或函数可以调用const修饰的对象或函数，但const修饰的对象或函数不可以调用非const修饰的对象或函数。

8.重载流插入<< ，流提取>>

1.流插入

这样写ok么？

c++ 复制代码 
// 日期类实现
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 1, int day = 1)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    //流插入<<重载成为成员函数
    void operator<<(ostream& out)
	{
	cout << this->_year << "年" << this->_month << "月" << this->_day << "日" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2024,2,1);
    //错误运行;
    cout<<d1;//cout作为左操作数，d1作为右操作数,d1日期类对象插入到控制台cout中去符合思维,但实际报错
    
    //正确运行：
	d1<<cout;//d1作为左操作数，cout作为右操作数，重载成功但是发现逻辑是控制台cout插入到日期类d1中
	return 0;
}

本质原因是什么呢？

解释：

<< 作为成员函数重载，this指针占据了第一个参数 ，意味着日期类（Date）对象必须是左操作数，因此我们要设法让cout作为第一个参数，因此为了实现这个操作符重载，我们不能将它写为成员函数，应当写为全局函数 ，但是当我们将函数写成全局函数后面临它无法访问私有，因此此处我们要么私有公开为公有，要么使用友元，并且注意全局函数不能在.h头文件中定义，否则链接时候会发生重定义 。

第一种方式：

c++ 复制代码 
// 流输出 << 重载为全局函数，并且将类对象成员私有公开
void operator<<(ostream& out,const Date& d)
{
	cout << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
}

第二种方式：

设置Get，Set函数获取私有成员的值(不想破坏封装，可以替换掉友元)

第三种方式：

友元函数

c++ 复制代码 
friend void operator<<(ostream& out, const Date& d);

问题来了 ：我们实现的流插入如何支持连续插入呢?cout<<......<<......<<.......<<endl;

与赋值类似，不过结合性顺序相反：

cout<<d1<<d2<<; 中 cout<<d1为一次函数调用，并且带有一个返回值作为左操作数再次进行流插入。

流插入：

c++ 复制代码 
friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	cout << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
	return out;
}

为什么C++要支持流插入和自定义重载流插入呢？因为C语言中的printf函数无法支持自定义类型直接通过printf输出，而流插入就很好的解决了所有对象的打印问题，无论是内置类型还是自定义类型。

2.流提取

流提取：

c++ 复制代码 
friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	cout << "请依次输入年月日：" << endl;
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
}

9.取地址及const取地址操作符重载

这两个运算符一般不需要重载，直接取得对象的地址即可，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需要重载,一般不需要自己重写

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