【C++】类和对象

会唱歌的小黄李2024-10-17 19:35

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面向过程和面向对象初步认识

C语言是面向过程的，关注的是过程，分析出求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。

C++是基于面向对象的，关注的是对象，将一件事情拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成。

类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。

比如：之前在数据结构初阶中，用C语言方式实现的栈，结构体中只能定义变量；

现在以C++方式实现，会发现struct中也可以定义函数。

c 复制代码 
#include<iostream>
using namespace::std;
typedef int DataType;
struct Stack
{
	void Init(size_t capacity)
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const DataType& data)
	{
		// 扩容
		_array[_size] = data;
		++_size;
	}
	DataType Top()
	{
			return _array[_size - 1];
	}
	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
	DataType* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
int main()
{
	Stack s;
	s.Init(10);
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	cout << s.Top() << endl;
	s.Destroy();
	return 0;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

类的定义

c 复制代码 
class className
{
	// 类体：由成员函数和成员变量组成
};  // 一定要注意后面的分号

class为定义类的关键字，ClassName为类的名字，{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号不能省略。

类体中内容称为类的成员：类中的变量称为类的属性或成员变量;

类中的函数称为类的方法或者成员函数。

类的两种定义方式：

  1. 声明和定义全部放在类体中，需注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将其当成内联函数处理。
  2. 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::
c 复制代码 
//成员变量命名规则的建议:
class Date
{
public:
	 void Init(int year)
	 {
	 	_year = year;
	 }
private:
 	int _year;
};

类的访问限定符及封装

访问限定符

C++实现封装的方式：用类将对象的属性与方法结合在一块，让对象更加完善，通过访问权限选择性的将其接口提供给外部的用户使用.

【访问限定符说明】

  1. public修饰的成员在类外可以直接被访问.
  2. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的).
  3. 访问权限作用域从该访问限定符出现的位置开始直到下一个访问限定符出现时为止.
  4. 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束.
  5. class的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C).
    注意：访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没有任何访问限定符上的区别.
c 复制代码 
C++中struct和class的区别是什么
C++需要兼容C语言，所以C++中struct可以当成结构体使用。另外C++中struct还可以用来定义类。
和class定义类是一样的，区别是struct定义的类默认访问权限是public，
class定义的类默认访问权限是private。
注意：在继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别。

封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态.

在类和对象阶段，主要是研究类的封装特性。

封装：将数据和操作数据的方法进行有机结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口来和对象进行交互。

封装本质上是一种管理，让用户更方便使用类。

比如：对于电脑这样一个复杂的设备，提供给用户的就只有开关机键、通过键盘输入，显示器，USB插孔等，让

用户和计算机进行交互，完成日常事务。但实际上电脑真正工作的却是CPU、显卡、内存等一些硬件元件。

对于计算机使用者而言，不用关心内部核心部件，比如主板上线路是如何布局的，CPU内部是如何设计的等，用户只需要知道，怎么开机、怎么通过键盘和鼠标与计算机进行交互即可。因此计算机厂商在出厂时，在外部套上壳子，将内部实现细节隐藏起来，仅仅对外提供开关机、鼠标以及键盘插孔等，让用户可以与计算机进行交互即可。

在C++语言中实现封装，可以通过类将数据以及操作数据的方法进行有机结合，通过访问权限来隐藏对象内部实现细节，控制哪些方法可以在类外部直接被使用。

类的作用域

类定义了一个新的作用域，类的所有成员都在类的作用域中。

在类体外定义成员时，需要使用 :: 作用域操作符指明成员属于哪个类域。

c 复制代码 
class Person
{
public:
 	void PrintPersonInfo();
private:
	 char _name[20];
	 char _gender[3];
	 int  _age;
};
// 这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
	 cout << _name << " "<< _gender << " " << _age << endl;
}

类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化。

  1. 类是对对象进行描述的，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没有分配实际的内存空间来存储它；
  2. 一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象 占用实际的物理空间，存储类成员变量
  3. 打个比方，类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，类就像是设计图，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间.

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象man才有具体的空间。

类的对象大小的计算

类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。

c 复制代码 
// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:
    void f1(){}
private:
    int _a;
};

// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
   void f2() {}
};

// 类中什么都没有---空类
class A3
{};


sizeof(A1) : ___4___ sizeof(A2) : ___1___ sizeof(A3) : ___1___
//没有成员变量的类对象的大小1byte，用来占位，标识对像实例化时，定义出来过
//结论：一个类的大小，实际就是该类中"成员变量"之和，当然要注意内存对齐
//注意空类的大小，空类比较特殊，编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的对象。

类成员函数的this指针

我们先来定义一个日期类 Date

c 复制代码 
class Date
{ 
public:
 void Init(int year, int month, int day)
 {
	 _year = year;
	 _month = month;
	 _day = day;
 }
 void Print()
 //void Print(Date* this)
 {
 	cout <<_year<< "-" <<_month << "-"<< _day <<endl;
 }
private:
	 //这是声明
	 int _year;     // 年
	 int _month;    // 月
	 int _day;      // 日
};
int main()
{
 Date d1, d2;
 d1.Init(2022,1,11);
 d2.Init(2022, 1, 12);
 d1.Print();
 //d1.Print(&d1);
 d2.Print();
 //d2.Print(&d2);
 return 0;
}

对于上述类，有这样的一个问题：

Date类中有 Init 与 Print 两个成员函数，函数体中没有关于不同对象的区分，那当d1调用 Init 函数时，该函数是如何知道应该设置d1对象，而不是设置d2对象呢？

C++中通过引入this指针解决该问题，即：C++编译器给每个"非静态的成员函数"增加了一个隐藏的指针参数，让该指针指向当前对象(函数运行时调用该函数的对象)，在函数体中所有"成员变量"的操作，都是通过该指针去访问。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。

this指针的特性

  1. this指针的类型：类型* const this，即成员函数中，不能给this指针赋值。
  2. 只能在"成员函数"的内部使用
  3. this指针本质上是"成员函数"的形参，当对象调用成员函数时，将对象地址作为实参传递给this形参。所以对象中不存储this指针。
  4. this指针是"成员函数"第一个隐含的指针形参，一般情况由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递.
  1. this指针存在哪里？
    栈上，因为它是一个形参
  2. this指针可以为空吗？
cpp 复制代码 
// 1.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{
public:
 void Print()
 {
 	cout << "Print()" << endl;
 }
private:
 int _a;
};
int main()
{
 A* p = nullptr;
 p->Print();
 //（*p）=nullptr;
 return 0;
 //正常运行
}

// 2.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{ 
public:
    void PrintA() 
   {
        cout<<_a<<endl;
   }
private:
 int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}
//运行崩溃
//因为这里将实参p这空指针传给了形参this指针，上面那个没有报错是因为没有对this这个空指针解引用，只是传递了p这个指针，而现在它对this空指针进行了解引用。

类的6个默认成员函数

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。

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。

cpp 复制代码 
class Date {};

构造函数

c 复制代码 
class Date
{
public:
 void Init(int year, int month, int day)
 {
	 _year = year;
	 _month = month;
	 _day = day;
 }
 void Print()
 {
 	cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
 }
private:
	 int _year;
	 int _month;
	 int _day;
};
int main()
{
	 Date d1;
	 d1.Init(2022, 7, 5);
	 d1.Print();
	 Date d2;
	 d2.Init(2022, 7, 6);
	 d2.Print();
	 return 0;
}

对于Date类，可以通过 Init 公有方法给对象设置日期，但如果每次创建对象时都调用该方法设置信息，未免有点麻烦，那能否在对象创建时，就将信息设置进去呢？

构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同,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。
语法

构造函数是特殊的成员函数，需要注意的是，构造函数虽然名称叫构造，但是构造函数的主要任务并不是开空间创建对象，而是初始化对象。

其语法如下：

  1. 函数名与类名相同。
  2. 无返回值。
  3. 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。
  4. 构造函数可以重载。
c 复制代码 
  class Date
 {
  public:
      // 1.无参构造函数
      Date()
     {}
      // 2.带参构造函数
      Date(int year, int month, int day)
     {
          _year = year;
          _month = month;
          _day = day;
     }
  private:
      int _year;
      int _month;
      int _day;
 };
  
  void TestDate()
 {
      Date d1; // 调用无参构造函数
      Date d2(2015, 1, 1); // 调用带参的构造函数
  
      // 注意：如果通过无参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则就成了函数声明
      // 以下代码的函数：声明了d3函数，该函数无参，返回一个日期类型的对象
      // warning C4930: "Date d3(void)": 未调用原型函数(是否是有意用变量定义的?)
      Date d3();
 }

特性

  1. 如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。
c 复制代码 
 class Date
 {
  public:
 /*
 // 如果用户显式定义了构造函数，编译器将不再生成
 Date(int year, int month, int day)
 {
 _year = year;
 _month = month;
 _day = day;
 }
 */
 
 void Print()
 {
	 cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
 }
  
	  private:
	 int _year;
	 int _month;
	 int _day;
 };
  
  int main()
 {
 // 将Date类中构造函数屏蔽后，代码可以通过编译，因为编译器生成了一个无参的默认构造函数
 // 将Date类中构造函数放开，代码编译失败，因为一旦显式定义任何构造函数，编译器将不再生成无参构造函数，
 // 放开后报错：error C2512: "Date": 没有合适的默认构造函数可用
 Date d1;
 return 0;
 }
  1. 关于编译器生成的默认成员函数，很多童鞋会有疑惑：不实现构造函数的情况下，编译器会生成默认的构造函数。但是看起来默认构造函数又没什么用？d对象调用了编译器生成的默认构造函数，但是d对象_year/_month/_day，依旧是随机值。也就说在这里编译器生成的默认构造函数并没有什么用？？
    解答：C++把类型分成内置类型(基本类型)和自定义类型。内置类型就是语言提供的数据类型，如：int/char...，自定义类型就是我们使用class/struct/union等自己定义的类型，看看下面的程序，就会发现编译器生成默认的构造函数会对自定类型成员_t调用的它的默认成员函数。
c 复制代码 
class Time
{
public:
 Time()
 {
	 cout << "Time()" << endl;
	 _hour = 0;
	 _minute = 0;
	 _second = 0;
 }
private:
	 int _hour;
	 int _minute;
	 int _second;
};
class Date
{
private:
	 // 基本类型(内置类型)
	 int _year;
	 int _month;
	 int _day;
	 // 自定义类型
	 Time _t;
};
int main()
{
	 Date d;
	 return 0;
}

注意：C++11 中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。

c 复制代码 
class Time
{
public:
 Time()
 {
	 cout << "Time()" << endl;
	 _hour = 0;
	 _minute = 0;
	 _second = 0;
 }
private:
	 int _hour;
	 int _minute;
	 int _second;
};
class Date
{
private:
	 // 基本类型(内置类型)
	 int _year = 1970;
	 int _month = 1;
	 int _day = 1;
	 // 自定义类型
	 Time _t;
};
int main()
{
	 Date d;
	 return 0;
}
  1. 无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个。
    注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。
c 复制代码 
class Date
{
public:
 Date()
 {
	 _year = 1900;
	 _month = 1;
	 _day = 1;
 }
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
 {
	 _year = year;
	 _month = month;
	 _day = day;
 }
private:
	 int _year;
	 int _month;
	 int _day;
};
// 以下测试函数能通过编译吗？编译不能通过，因为无参构造函数、全缺省构造函数调用会产生歧义；
void Test()
{
	 Date d1;
}

析构函数

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。后定义先析构。

特性

析构函数是特殊的成员函数，其特征如下：

  1. 析构函数名是在类名前加上字符 ~。
  2. 无参数无返回值类型。
  3. 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。注意：析构函数不能重载。
  4. 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数。
c 复制代码 
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
 Stack(size_t capacity = 3)
 {
	 _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
	 if (NULL == _array)
	 {
		 perror("malloc申请空间失败!!!");
		 return;
	 }
	 _capacity = capacity;
	 _size = 0;
}
 void Push(DataType data)
{
	 // CheckCapacity();
	 _array[_size] = data;
	 _size++;
}
 // 其他方法...
 ~Stack()
 {
	 if (_array)
	 {
		 free(_array);
		 _array = NULL;
		 _capacity = 0;
		 _size = 0;
	 }
 }
private:
	 DataType* _array;
	 int _capacity;
	 int _size;
};
void TestStack()
{
	 Stack s;
	 s.Push(1);
	 s.Push(2);
}
  1. 关于编译器自动生成的析构函数，是否会完成一些事情呢？下面的程序我们会看到，编译器生成的默认析构函数，对自定义类型成员调用它的析构函数。
c 复制代码 
class Time
{
public:
 ~Time()
 {
 	cout << "~Time()" << endl;
 }
private:
	 int _hour;
	 int _minute;
	 int _second;
};
class Date
{
private:
	 // 基本类型(内置类型)
	 int _year = 1970;
	 int _month = 1;
	 int _day = 1;
	 // 自定义类型
	 Time _t;
};
int main()
{
	 Date d;
	 return 0;
}
// 程序运行结束后输出：~Time()
// 在main方法中根本没有直接创建Time类的对象，为什么最后会调用Time类的析构函数？
// 因为：main方法中创建了Date对象d，而d中包含4个成员变量，其中_year, _month, _day三个是内置类型成员，
// 销毁时不需要资源清理，最后系统直接将其内存回收即可；而_t是Time类对象，所以在d销毁时，
// 要将其内部包含的Time类的_t对象销毁，所以要调用Time类的析构函数。
// 但是：main函数中不能直接调用Time类的析构函数，实际要释放的是Date类对象，
// 所以编译器会调用Date类的析构函数，而Date没有显式提供，则编译器会给Date类生成一个默认的析构函数，
// 目的是在其内部调用Time类的析构函数，即当Date对象销毁时，要保证其内部每个自定义对象都可以正确销毁
// main函数中并没有直接调用Time类析构函数，而是显式调用编译器为Date类生成的默认析构函数
// 注意：创建哪个类的对象则调用该类的析构函数，销毁那个类的对象则调用该类的析构函数
  1. 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，比如Date类；
    有资源申请时，一定要写，否则会造成资源泄漏，比如Stack类。

拷贝构造函数

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)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

特征

拷贝构造函数也是特殊的成员函数，其特征如下：

  1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。
  2. 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。
c 复制代码 
class Date
{
public:
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
 {
 _year = year;
 _month = month;
 _day = day;
 }
 Date(const Date& d) 
 {
 _year = d._year;
 _month = d._month;
 _day = d._day;
 }
private:
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};
int main()
{
 Date d1;
 Date d2(d1);//调用拷贝构造，要先传参，这里传值传参，会形成一个新的拷贝构造
 return 0;
}

C++规定自定义的类型都会调用拷贝构造

在C++中，下面三种对象需要调用拷贝构造函数（有时也称"复制构造函数"）：

1.一个对象作为函数参数，以值传递的方式传入函数体；

c 复制代码 
void func1(Date d)
{

}
int main()
{
   Date d1(2023,2,3)
   func1(d1);
}

2.一个对象作为函数返回值，以值传递的方式从函数返回；

c 复制代码 
Date func2 ()
{
    Date tmp(2022,2,3)
    return tmp;
}
int main()
{
   	func2();

3.一个对象用于给另外一个对象进行初始化（常称为赋值初始化）；

c 复制代码 
int main()
{
   Date d1(2023,2,3)
   Date d2(d1);
 }

如果在前两种情况不使用拷贝构造函数的时候，就会导致一个指针指向已经被删除的内存空间。
对于第三种情况来说，初始化和赋值的不同含义是拷贝构造函数调用的原因。

当一个对象需要以值方式传递时，编译器会生成代码调用它的拷贝构造函数以生成一个复本。如果类d1的拷贝构造函数是以值方式传递一个类d1对象作为参数的话，当需要调用类d1的拷贝构造函数时，需要以值方式传进一个d1的对象作为实参； 而以值方式传递需要调用类d1的拷贝构造函数；结果就是调用类d1的拷贝构造函数导致又一次调用类d1的拷贝构造函数，这就是一个无限递归。

  1. 若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。
c 复制代码 
class Time
{
public:
 Time()
 {
	 _hour = 1;
	 _minute = 1;
	 _second = 1;
 }
 Time(const Time& t)
 {
	 _hour = t._hour;
	 _minute = t._minute;
	 _second = t._second;
	 cout << "Time::Time(const Time&)" << endl;
 }
private:
	 int _hour;
	 int _minute;
	 int _second;
};
class Date
{
private:
	 // 基本类型(内置类型)
	 int _year = 1970;
	 int _month = 1;
	 int _day = 1;
	 // 自定义类型
	 Time _t;
};
int main()
{
	 Date d1;
    // 用已经存在的d1拷贝构造d2，此处会调用Date类的拷贝构造函数
    // 但Date类并没有显式定义拷贝构造函数，则编译器会给Date类生成一个默认的拷贝构造函数
 	Date d2(d1);
 return 0;
}

注意：在编译器生成的默认拷贝构造函数中，内置类型是按照字节方式直接拷贝的，而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的。

  1. 编译器生成的默认拷贝构造函数已经可以完成字节序的值拷贝了，还需要自己显式实现吗？

当然像日期类这样的类是没必要的。那么下面的类呢？验证一下试试？

c 复制代码 
// 这里会发现下面的程序会崩溃掉？这里就需要我们以后讲的深拷贝去解决。
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
 Stack(size_t capacity = 10)
 {
	 _array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));
	 if (nullptr == _array)
	 {
		 perror("malloc申请空间失败");
		 return;
 	 }
	 _size = 0;
	 _capacity = capacity;
 }
 void Push(const DataType& data)
 {
	 // CheckCapacity();
	 _array[_size] = data;
	 _size++;
 }
 ~Stack()
 {
	 if (_array)
	 {
		 free(_array);
		 _array = nullptr;
		 _capacity = 0;
		 _size = 0;
	 }
 }
private:
	 DataType *_array;
	 size_t _size;
	 size_t _capacity;
};
int main()
{
	 Stack s1;
	 s1.Push(1);
	 s1.Push(2);
	 s1.Push(3);
	 s1.Push(4);
	 Stack s2(s1);
	 return 0;
}

注意：类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数是否写都可以；一旦涉及到资源申请时，则拷贝构造函数是一定要写的，否则就是浅拷贝。

  1. 拷贝构造函数典型调用场景：
  • 使用已存在对象创建新对象；
  • 函数参数类型为类类型对象；
  • 函数返回值类型为类类型对象；
c 复制代码 
class Date
{
public:
 Date(int year, int minute, int day)
 {
 	cout << "Date(int,int,int):" << this << endl;
 }
 Date(const Date& d)
 {
 	cout << "Date(const Date& d):" << this << endl;
 }
 ~Date()
 {
 	cout << "~Date():" << this << endl;
 }
private:
	 int _year;
	 int _month;
	 int _day;
};
Date Test(Date d)
{
	 Date temp(d);
	 return temp;
}
int main()
{
	 Date d1(2022,1,13);
	 Test(d1);
	 return 0;
}

为了提高程序效率，一般对象传参时，尽量使用引用类型，返回时根据实际场景，能用引用尽量使用引用。

赋值运算符重载

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。

函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。

函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

注意：不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@

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

c 复制代码 
  .*    ::    sizeof     ?:     . 注意以上5个运算符不能重载。
c 复制代码 
// 全局的operator==
class Date
{ 
public:
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
   {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
   }    
//private:
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};
// 这里会发现运算符重载成全局的就需要成员变量是公有的，那么问题来了，封装性如何保证？
// 这里其实可以用我们后面学习的友元解决，或者干脆重载成成员函数。
bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
{
    return d1._year == d2._year
   && d1._month == d2._month
        && d1._day == d2._day;
}
void Test ()
{
    Date d1(2018, 9, 26);
    Date d2(2018, 9, 27);
    cout<<(d1 == d2)<<endl;
}
c 复制代码 
class Date
{ 
public:
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
   {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
   }
    
    // bool operator==(Date* this, const Date& d2)
    // 这里需要注意的是，左操作数是this，指向调用函数的对象
    bool operator==(const Date& d2)
 {
        return _year == d2._year;
            && _month == d2._month
            && _day == d2._day;
 }
private:
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};

赋值运算符重载

  1. 赋值运算符重载格式
  • 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 ：要复合连续赋值的含义
c 复制代码 
class Date
{ 
public :
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
   {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
   }
 
 Date (const Date& d)
   {
        _year = d._year;
        _month = d._month;
        _day = d._day;
   }
 
 Date& operator=(const Date& d)//这里是引用
 {
 //防止自己给自己赋值
 if(this != &d)//这里是取地址
       {
            _year = d._year;
            _month = d._month;
            _day = d._day;
       }
        
        return *this;
 }
private:
 int _year ;
 int _month ;
 int _day ;
};
  1. 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。
c 复制代码 
class Date
{
public:
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
 {
 _year = year;
 _month = month;
 _day = day;
 }
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};
// 赋值运算符重载成全局函数，注意重载成全局函数时没有this指针了，需要给两个参数
Date& operator=(Date& left, const Date& right)
{
 if (&left != &right)
 {
 left._year = right._year;
 left._month = right._month;
 left._day = right._day;
 }
 return left;
}
// 编译失败：
// error C2801: "operator ="必须是非静态成员
//原因：赋值运算符如果不显式实现，编译器会生成一个默认的。
//此时用户再在类外自己实现一个全局的赋值运算符重载，就和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突了，
//故赋值运算符重载只能是类的成员函数。
  1. 用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝。
    注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值。
    既然编译器生成的默认赋值运算符重载函数已经可以完成字节序的值拷贝了，还需要自己实现吗？当然像日期类这样的类是没必要的。那么下面的类呢？验证一下试试？
c 复制代码 
// 这里会发现下面的程序会崩溃掉？这里就需要我们以后讲的深拷贝去解决。
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
 Stack(size_t capacity = 10)
 {
 _array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));
 if (nullptr == _array)
 {
 perror("malloc申请空间失败");
 return;
 }
 _size = 0;
 _capacity = capacity;
 }
 void Push(const DataType& data)
 {
 // CheckCapacity();
 _array[_size] = data;
 _size++;
 }
 ~Stack()
 {
 if (_array)
 {
 free(_array);
 _array = nullptr;
 _capacity = 0;
 _size = 0;
 }
 }
private:
 DataType *_array;
 size_t _size;
 size_t _capacity;
};
int main()
{
 Stack s1;
 s1.Push(1);
 s1.Push(2);
 s1.Push(3);
 s1.Push(4);
 Stack s2;
 s2 = s1;
 return 0;
}

注意：如果类中未涉及到资源管理，赋值运算符是否实现都可以；一旦涉及到资源管理则必须要实现。

前置++和后置++重载

c 复制代码 
class Date
{
public:
 Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
 {
 _year = year;
 _month = month;
 _day = day;
 }
 // 前置++：返回+1之后的结果
 // 注意：this指向的对象函数结束后不会销毁，故以引用方式返回提高效率
 Date& operator++()
 {
 _day += 1;
 return *this;
 }
 // 后置++：
 // 前置++和后置++都是一元运算符，为了让前置++与后置++形成能正确重载
 // C++规定：后置++重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递，编译器自动传递
 // 注意：后置++是先使用后+1，因此需要返回+1之前的旧值，故需在实现时需要先将this保存一份，然后给this+1
 // 而temp是临时对象，因此只能以值的方式返回，不能返回引用
 Date operator++(int)
 {
 Date temp(*this);
 _day += 1;
 return temp;
 }
private:
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};

int main()
{
 Date d;
 Date d1(2022, 1, 13);
 d = d1++;    // d: 2022,1,13   d1:2022,1,14
 d = ++d1;    // d: 2022,1,15   d1:2022,1,15
 return 0;
}

const成员函数


取地址及const取地址操作符重载

这两个默认成员函数一般不用重新定义 ，编译器默认会生成。

c 复制代码 
class Date
{ 
public :
 Date* operator&()
 {
 return this ;
 }
 const Date* operator&()const
 {
 return this ;
 }
private :
 int _year ; // 年
 int _month ; // 月
 int _day ; // 日
};
int main()
{
	Date aa1;
	const Date aa2;
	cout<<&aa1<<endl;
	cout<<&aa2<<endl;
	return 0;
}

这两个运算符一般不需要重载，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，比如想让别人获取到指定的内容！

再谈构造函数

构造函数体赋值

在创建对象时，编译器通过调用构造函数，给对象中各个成员变量一个合适的初始值。

c 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。
初始化列表

初始化列表：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。

c 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;
};

【注意】

  1. 每个成员变量在初始化列表中只能出现一次(初始化只能初始化一次)
  2. 类中包含以下成员，必须放在初始化列表位置进行初始化：
  • 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时)
c 复制代码 
class A
{
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 
};
  1. 尽量使用初始化列表初始化，因为不管你是否使用初始化列表，对于自定义类型成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。
c 复制代码 
class Time
{
public:
 Time(int hour = 0)
	 :_hour(hour)
	 {
	 cout << "Time()" << endl;
	 }
private:
 	int _hour;
};

class Date
{
public:
 Date(int day)
	 {}
private:
	 int _day;
	 Time _t;
};
int main()
{
    Date d(1);
}
  1. 成员变量在类中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.
c 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();
}
//输出1  随机值

explicit关键字

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

c 复制代码 
class Date
{
public:
 // 1. 单参构造函数，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
 // explicit修饰构造函数，禁止类型转换---explicit去掉之后，代码可以通过编译
 explicit Date(int year)
 :_year(year)
 {}
 /*
 // 2. 虽然有多个参数，但是创建对象时后两个参数可以不传递，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
 // explicit修饰构造函数，禁止类型转换
 explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
 : _year(year)
 , _month(month)
 , _day(day)
 {}
 */
 Date& operator=(const Date& d)
 {
 if (this != &d)
 {
 _year = d._year;
 _month = d._month;
 _day = d._day;
 }
 return *this;
 }
private:
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};
void Test()
{
 Date d1(2022);
 // 用一个整形变量给日期类型对象赋值
 // 实际编译器背后会用2023构造一个无名对象，最后用无名对象给d1对象进行赋值
 d1 = 2023;
 // 将1屏蔽掉，2放开时则编译失败，因为explicit修饰构造函数，禁止了单参构造函数类型转换的作用
}

Static成员

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.

c 复制代码 
//实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象。
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;
}

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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 静态成员也是类的成员，受public、protected、private 访问限定符的限制。
  1. 静态成员函数不能调用非静态成员函数
  • 原因分析：
  • 静态成员函数属于类本身，它不依赖于类的任何对象实例。而非静态成员函数通常与类的具体对象相关联，在调用非静态成员函数时，需要有一个对象来确定函数操作的数据成员。因为静态成员函数没有隐含的this指针指向类的对象，所以它无法确定要调用哪个对象的非静态成员函数。
  • 示例代码：
c 复制代码 
例如，有一个类 MyClass ，其中有一个静态成员函数 staticFunc 和一个非静态成员函数 nonStaticFunc .
 class MyClass { 
 public:   static void staticFunc() {
    // 以下调用会导致编译错误
    // nonStaticFunc();   }   
    void nonStaticFunc() {} 
    };
  1. 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数
  • 原因分析：
  • 非静态成员函数属于类的对象，当调用非静态成员函数时，有一个隐含的this指针指向调用该函数的对象。而静态成员函数属于类本身，不依赖于对象，所以在非静态成员函数内部可以访问类的静态成员函数，因为类的非静态成员函数能够识别类的范围。
  • 示例代码：
  • 同样对于类 MyClass ，在非静态成员函数中可以调用静态成员函数。
    class MyClass {
    public: static void staticFunc() {}
    void nonStaticFunc() {
    staticFunc(); }
    };

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。

c 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。

c 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。
c 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

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。
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。
  3. sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。
c 复制代码 
lass A
{
private:
	 static int k;
	 int h;
public:
	 class B // B天生就是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()
{
    A::B b;
    b.foo(A());
    
    return 0;
}

匿名对象

c 复制代码 
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()
{
 //有名对象
 A aa1;
 A aa2(10);
 // 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
 // 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
 A();
 A(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 s1;
 s1.Sum_Solution(10);
 
 Solution().Sum_Solution(10);
 return 0;
}

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。

c 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

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。

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