C++类和对象(下)

C++忠实粉丝2024-09-03 14:53

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C++类和对象(下)

收录于专栏【C++语法基础** 】
本专栏旨在分享学习C++的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌**

目录

[1. 再探构造函数](#1. 再探构造函数)

[2. 类型转换](#2. 类型转换)

3.static成员

[4. 友元](#4. 友元)

[5. 内部类](#5. 内部类)

6.匿名对象

7.对象拷⻉时的编译器优化

1. 再探构造函数

• 之前我们实现构造函数时，初始化成员变量主要使⽤函数体内赋值，构造函数初始化还有⼀种⽅ 式，就是初始化列表，初始化列表的使⽤⽅式是以⼀个冒号开始，接着是⼀个以逗号分隔的数据成 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。

• 每个成员变量在初始化列表中只能出现⼀次，语法理解上初始化列表可以认为是每个成员变量定义初始化的地⽅。

• 引⽤成员变量，const成员变量，没有默认构造的类类型变量，必须放在初始化列表位置进⾏初始 化，否则会编译报错。

• C++11⽀持在成员变量声明的位置给缺省值，这个缺省值主要是给没有显⽰在初始化列表初始化的成员使⽤的。

• 尽量使⽤初始化列表初始化，因为那些你不在初始化列表初始化的成员也会⾛初始化列表，如果这个成员在声明位置给了缺省值，初始化列表会⽤这个缺省值初始化。如果你没有给缺省值，对于没有显⽰在初始化列表初始化的内置类型成员是否初始化取决于编译器，C++并没有规定。对于没有显⽰在初始化列表初始化的⾃定义类型成员会调⽤这个成员类型的默认构造函数，如果没有默认构造会编译错误。

• 初始化列表中按照成员变量在类中声明顺序进⾏初始化，跟成员在初始化列表出现的的先后顺序⽆关。建议声明顺序和初始化列表顺序保持⼀致。

初始化列表总结：

⽆论是否显⽰写初始化列表，每个构造函数都有初始化列表；

⽆论是否在初始化列表显⽰初始化，每个成员变量都要⾛初始化列表初始化；

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:
	Time(int hour)
		:_hour(hour)
	{
		cout << "Time()" << endl;
	}
private:
	int _hour;
};
class Date
{
public:
	Date(int& x, int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
		, _t(12)
		, _ref(x)
		, _n(1)
	{
		// error C2512: "Time": 没有合适的默认构造函数可⽤

		// error C2530 : "Date::_ref" : 必须初始化引⽤

		// error C2789 : "Date::_n" : 必须初始化常量限定类型的对象

	}
	void Print() const
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Time _t;// 没有默认构造
	int& _ref;// 引⽤
	const int _n; // const 
	

	

};
int main()
{
	int i = 0;
	Date d1(i);
	d1.Print();
	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:
	Time(int hour)
		:_hour(hour)
	{
		cout << "Time()" << endl;
	}
private:
	int _hour;
};
class Date
{
public:
	Date()
		:_month(2)
	{
		cout << "Date()" << endl;
	}
	void Print() const
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	// 注意这⾥不是初始化，这⾥给的是缺省值，这个缺省值是给初始化列表的
	// 如果初始化列表没有显⽰初始化，默认就会⽤这个缺省值初始化
	int _year = 1;
	int _month = 1;
	int _day;
	Time _t = 1;
	const int _n = 1;
	int* _ptr = (int*)malloc(12);
};
int main()
{
	Date d1;
	d1.Print();
	return 0;
}

例:下⾯程序的运⾏结果是什么（）

A. 输出1 1

B. 输出2 2

C. 编译报错

D. 输出1 随机值

E. 输出1 2

F. 输出2 1

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a)
		:_a1(a)
		, _a2(_a1)
	{}
	void Print() {
		cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
	}
private:
	int _a2 = 2;
	int _a1 = 2;
};
int main()
{
	A aa(1);
	aa.Print();
}

注意:

初始化列表中按照成员变量在类中声明顺序进⾏初始化，跟成员在初始化列表出现的的先后顺序⽆关。建议声明顺序和初始化列表顺序保持⼀致。

所以这里是先初始化a2,再初始化a1

所以答案选D

2. 类型转换

• C++⽀持内置类型隐式类型转换为类类型对象，需要有相关内置类型为参数的构造函数。

• 构造函数前⾯加explicit就不再⽀持隐式类型转换。

• 类类型的对象之间也可以隐式转换，需要相应的构造函数⽀持。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	// 构造函数explicit就不再⽀持隐式类型转换
	// explicit A(int a1)
		A(int a1)
		:_a1(a1)
	{}
	//explicit A(int a1, int a2)
	A(int a1, int a2)
		:_a1(a1)
		, _a2(a2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
	}
    int Get() const
    {
        return _a1 + _a2;
    }
private:
    int _a1 = 1;
    int _a2 = 2;
};
class B
{
public:
    B(const A& a)
        :_b(a.Get())
    {}
private:
    int _b = 0;
};
int main()
{
    // 1构造⼀个A的临时对象，再⽤这个临时对象拷⻉构造aa3
    // 编译器遇到连续构造+拷⻉构造->优化为直接构造

    A aa1 = 1;
    aa1.Print();

    const A& aa2 = 1;
    
    // C++11之后才⽀持多参数转化
    A aa3 = { 2,2 };

    // aa3隐式类型转换为b对象
    // 原理跟上⾯类似
    B b = aa3;
    const B& rb = aa3;
    return 0;
}

3.static成员

• ⽤static修饰的成员变量，称之为静态成员变量，静态成员变量⼀定要在类外进⾏初始化。

• 静态成员变量为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，不存在对象中，存放在静态区。

• ⽤static修饰的成员函数，称之为静态成员函数，静态成员函数没有this指针。

• 静态成员函数中可以访问其他的静态成员，但是不能访问⾮静态的，因为没有this指针。

• ⾮静态的成员函数，可以访问任意的静态成员变量和静态成员函数。

• 突破类域就可以访问静态成员，可以通过类名::静态成员或者对象.静态成员来访问静态成员变量 和静态成员函数。

• 静态成员也是类的成员，受public、protected、private访问限定符的限制。

• 静态成员变量不能在声明位置给缺省值初始化，因为缺省值是个构造函数初始化列表的，静态成员变量不属于某个对象，不⾛构造函数初始化列表。

例: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 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A()
	{
		++_scount;
	}
	
	A(const A& t)
	{
		++_scount;
	}
	~A()
	{
		--_scount;
	}
	static int GetACount()
	{
		return _scount;
	}
private:
	// 类⾥⾯声明
	static int _scount;
};
// 类外⾯初始化
int A::_scount = 0;
int main()
{
	cout << A::GetACount() << endl;
	A a1, a2;
	A a3(a1);
	cout << A::GetACount() << endl;
	cout << a1.GetACount() << endl;
	// 编译报错：error C2248 : "A::_scount" :⽆法访问private成员(在"A"类中声明)
	//cout << A::_scount << endl;
	return 0;
}

例2:牛客JZ64 求1+2+3+...+n ----------求1+2+3+...+n_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

描述

求1+2+3+...+n，要求不能使用乘除法、for、while、if、else、switch、case等关键字及条件判断语句（A?B:C）。

数据范围： 0<n≤2000<n≤200

进阶： 空间复杂度 O(1)O(1) ，时间复杂度 O(n)O(n)

示例1

输入：5

返回值：15

示例2

输入：1

返回值：1

注意:

这里要求要求不能使用乘除法、for、while、if、else、switch、case等关键字及条件判断语句（A?B:C）,也就是说我们这里无法使用循环,递归,数学里面的等差数列.

所以我们需要利用静态变量 和对象的构造函数来完成计算

代码如下:

cpp 复制代码 
class Sum
{
    public:
        Sum()
        {
            _ret += _i;
            ++_i;
        }

        static int GetRet()
        {
            return _ret;
        }
    private:
        static int _i;
        static int _ret;
};

int Sum::_i = 1;
int Sum::_ret = 0;

class Solution {
public:
    int Sum_Solution(int n) {
        Sum a[n];

        return Sum::GetRet();
    }
};

在这个实现中：

  • 静态成员 _i 和 _ret 用于跨所有对象共享数据。
  • 构造函数副作用 通过修改静态成员来实现计算目的，这里是用来计算从 1 到 n 的累加和。

例三:

设已经有A,B,C,D4个类的定义，程序中A,B,C,D构造函数调⽤顺序为？（）

设已经有A,B,C,D4个类的定义，程序中A,B,C,D析构函数调⽤顺序为？（）

A ： D B A C B ： B A D C C ： C D B A D ： A B D C E ： C A B D F ： C D A B

cpp 复制代码 
C c;
int main()
{
	A a;
	B b;
	static D d;
	return 0;
}

构造函数调用顺序：

  1. C c; 是全局静态对象，因此在 main 函数开始之前被初始化。
  2. 在 main 中，局部对象 A a; 和 B b; 被依次初始化。
  3. 静态对象 static D d; 在 main 函数结束之前被初始化。

所以，构造函数调用顺序是：C -> A -> B -> D。即选项 E。

析构函数的调用顺序：

析构函数的调用顺序是与构造函数的相反顺序：(后构造先析构)

  1. 先析构局部对象。
  2. 后析构静态对象。
  3. 最后析构全局静态对象。

因此，析构函数调用顺序是： B -> A -> D -> C。即选项 B。

4. 友元

• 友元提供了⼀种突破类访问限定符封装的⽅式，友元分为：友元函数和友元类，在函数声明或者类声明的前⾯加friend，并且把友元声明放到⼀个类的⾥⾯。

• 外部友元函数可访问类的私有和保护成员，友元函数仅仅是⼀种声明，他不是类的成员函数。

• 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。

• 友元类中的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。

• 友元类的关系是单向的，不具有交换性，⽐如A类是B类的友元，但是B类不是A类的友元。

• 友元类关系不能传递，如果A是B的友元，B是C的友元，但是A不是C的友元。

• 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。

有元函数:

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
// 前置声明，否则A的友元函数声明编译器不认识B
class B;
class A
{
	// 友元声明
	friend void func(const A& aa, const B& bb);
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 2;
};
class B
{
	// 友元声明
	friend void func(const A& aa, const B& bb);
private:
	int _b1 = 3;
	int _b2 = 4;
};
void func(const A& aa, const B& bb)
{
	cout << aa._a1 << endl;
	cout << bb._b1 << endl;
}
int main()
{
	A aa;
	B bb;
	func(aa, bb);
	return 0;
}

友元类:

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
	// 友元声明
	friend class B;
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 2;
};
class B
{
public:
	void func1(const A& aa)
	{
		cout << aa._a1 << endl;
		cout << _b1 << endl;
	}
	void func2(const A& aa)
	{
		cout << aa._a2 << endl;
		cout << _b2 << endl;
	}
private:
	int _b1 = 3;
	int _b2 = 4;
};
int main()
{
	A aa;
	B bb;
	bb.func1(aa);
	bb.func1(aa);
	return 0;
}

5. 内部类

• 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，跟定义在全局相⽐，他只是受外部类类域限制和访问限定符限制，所以外部类定义的对象中不包含内部类。

• 内部类默认是外部类的友元类。

• 内部类本质也是⼀种封装，当A类跟B类紧密关联，A类实现出来主要就是给B类使⽤，那么可以考虑把A类设计为B的内部类，如果放到private/protected位置，那么A类就是B类的专属内部类，其 他地⽅都⽤不了。

例:

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
private:
    static int _k;
    int _h = 1;
public:
    class B // B默认就是 A的友元
    {
    public:
        void foo(const A& a)
        {
            cout << _k << endl;                //OK
            cout << a._h << endl;        //OK
        }
    };
};
int A::_k = 1;
int main()
{
    cout << sizeof(A) << endl;
    A::B b;
    A aa;
    b.foo(aa);
    return 0;
}

注意:

  • sizeof(A) 的结果将取决于编译器的实现，通常在没有虚函数和继承的情况下，sizeof(A) 主要包括静态成员（静态成员不占据类实例的内存）和非静态成员的内存大小。在这个例子中，sizeof(A) 应该只计算 _h 的内存大小，所以结果可能是 4 或 8 字节（取决于编译器和平台）。

用内部类解决 牛客JZ64 求1+2+3+...+n ----------求1+2+3+...+n_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

因为我们之前使用的Sum类完全是为Sum_Solution类服务的,我们可以直接将Sum类变成Sum_Solution的内部类

cpp 复制代码 
class Solution {
private:
    static int _i;
    static int _ret;

    class Sum
    {
        public:
            Sum()
            {
                _ret += _i;
                ++_i;
            }  
    };

public:
    int Sum_Solution(int n) {
        Sum a[n];
        //Sum* p = new SUm[n];
        //delete [] p;

        return _ret;
    }
};

int Solution::_i = 1;
int Solution::_ret = 0;

6.匿名对象

• ⽤类型(实参)定义出来的对象叫做匿名对象，相⽐之前我们定义的类型对象名(实参)定义出来的 叫有名对象

• 匿名对象⽣命周期只在当前⼀⾏，⼀般临时定义⼀个对象当前⽤⼀下即可，就可以定义匿名对象。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        :_a(a)
    {
        cout << "A(int a)" << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

class Solution {
public:
    int Sum_Solution(int n) {
        //...
        return n;
    }
};


int main()
{
    A aa1;
    //不能这么定义对象，因为编译器⽆法识别下⾯是⼀个函数声明，还是对象定义
    //A aa1();
   
    //但是我们可以这么定义匿名对象，匿名对象的特点不⽤取名字，
    // 但是他的⽣命周期只有这⼀⾏，我们可以看到下⼀⾏他就会⾃动调⽤析构函数
    A();
    A(1);

    A aa2(2);

    // 匿名对象在这样场景下就很好⽤，当然还有⼀些其他使⽤场景.
    Solution().Sum_Solution(10);
    return 0;
}

7.对象拷⻉时的编译器优化

• 现代编译器会为了尽可能提⾼程序的效率，在不影响正确性的情况下会尽可能减少⼀些传参和传返回值的过程中可以省略的拷⻉。

• 如何优化C++标准并没有严格规定，各个编译器会根据情况⾃⾏处理。当前主流的相对新⼀点的编译器对于连续⼀个表达式步骤中的连续拷⻉会进⾏合并优化，有些更新更"激进"的编译器还会进⾏跨⾏跨表达式的合并优化。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    A(int a = 0)
        :_a1(a)
    {
        cout << "A(int a)" << endl;
    }
    A(const A& aa)
        :_a1(aa._a1)
    {
        cout << "A(const A& aa)" << endl;
    }
    A& operator=(const A& aa)
    {
        cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
        if (this != &aa)
        {
            _a1 = aa._a1;
        }
        return *this;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a1 = 1;
};
void f1(A aa)
{}
A f2()
{
    A aa;
    return aa;
}

int main()
{
    // 传值传参
    A aa1;
    f1(aa1);
    cout << endl;

    // 隐式类型，连续构造+拷⻉构造->优化为直接构造
    f1(1);

    // ⼀个表达式中，连续构造+拷⻉构造->优化为⼀个构造
    f1(A(2));
    cout << endl;

    cout << "***********************************************" << endl;

    // 传值返回
    // 返回时⼀个表达式中，连续拷⻉构造+拷⻉构造->优化⼀个拷⻉构造（vs2019 debug）
    // ⼀些编译器会优化得更厉害，进⾏跨⾏合并优化，直接变为构造。（vs2022 debug）
    f2();
    cout << endl;

    // 返回时⼀个表达式中，连续拷⻉构造+拷⻉构造->优化⼀个拷⻉构造（vs2019 debug）
    // ⼀些编译器会优化得更厉害，进⾏跨⾏合并优化，直接变为构造。（vs2022 debug）
    A aa2 = f2();
    cout << endl;

    // ⼀个表达式中，连续拷⻉构造+赋值重载->⽆法优化
    aa1 = f2();
    cout << endl;

    return 0;
}

类 A

  • 构造函数 A(int a) : 初始化 _a1 并输出构造信息。
  • 拷贝构造函数 A(const A& aa) : 复制 _a1 并输出拷贝构造信息。
  • 赋值运算符 A& operator=(const A& aa) : 赋值 _a1 并输出赋值操作信息。检查自赋值。
  • 析构函数 ~A(): 输出析构信息。

函数 f1(A aa)

  • 这个函数接受 A 对象的拷贝，触发拷贝构造函数。

函数 f2()

  • 创建一个 A 对象 aa 并返回它。触发拷贝构造函数（如果没有优化）。

main 函数的执行情况

  1. A aa1 : 创建 A 对象 aa1，调用构造函数。

  2. f1(aa1) : 传递 aa1 作为参数，调用拷贝构造函数（A(const A& aa)）。

  3. f1(1) : 1 会先被隐式转换为 A(1)，然后传递给 f1。这里触发了构造函数（A(int a)）和拷贝构造函数（A(const A& aa)）。现代编译器可能会优化为直接使用 A(1)。

  4. f1(A(2)) : 直接创建 A(2) 并传递给 f1。触发构造函数（A(int a)）和拷贝构造函数（A(const A& aa)）。编译器可能优化为只调用构造函数。

  5. f2() : 创建 A 对象并返回它。现代编译器可能会进行返回值优化（RVO），减少拷贝构造的调用。

  6. A aa2 = f2() : f2() 返回一个 A 对象，aa2 被初始化。RVO 可能将构造优化为只调用一次构造函数，避免额外的拷贝构造。

  7. aa1 = f2() : f2() 返回的 A 对象被赋值给 aa1。这触发了拷贝构造函数和赋值运算符。编译器无法优化这个过程，因为赋值需要进行实际的拷贝。

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