【C++】 嵌套类（Nested Class）

详解嵌套类（Nested Class）

嵌套类（Nested Class）是 C++ 中一种定义在另一个类（称为外部类）内部的类。它可以帮助封装辅助功能、提高代码的组织性，或用于实现特定的设计模式。本文将详细解析嵌套类的定义、访问控制、作用域、实例化、使用场景等方面的内容。

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1. 定义

嵌套类是在外部类的类体内部定义的类。以下是一个简单的定义示例：

class Outer {
public:
    class Nested {
    public:
        void func() {
            // 嵌套类的功能实现
        }
    };
};

在这个例子中，Nested 是定义在 Outer 类内部的嵌套类。

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2. 访问控制

嵌套类和外部类之间的访问规则如下：

• 外部类对嵌套类的访问：外部类不能直接访问嵌套类的私有成员，除非嵌套类明确授予权限（例如通过友元关系）。
• 嵌套类对外部类的访问：嵌套类可以访问外部类的所有成员，包括私有和保护成员，因为嵌套类是外部类的一个成员。

示例：

class Outer {
private:
    int privateVar;
public:
    class Nested {
    public:
        void func(Outer& outer) {
            outer.privateVar = 10;  // 嵌套类可以访问外部类的私有成员
        }
    };
};

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3. 作用域

嵌套类的作用域属于外部类，因此在外部使用嵌套类时，需要通过外部类的名称来限定嵌套类的名称。例如：

Outer::Nested nestedObj;  // 使用作用域限定符访问嵌套类

嵌套类的成员函数可以直接访问外部类的静态成员，但不能直接访问外部类的非静态成员（因为嵌套类没有隐含的 this 指针指向外部类对象）。示例：

class Outer {
public:
    static int staticVar;
    int nonStaticVar;
    class Nested {
    public:
        void func() {
            staticVar = 10;  // 可以访问静态成员
            // nonStaticVar = 20;  // 错误，不能直接访问非静态成员
        }
    };
};
int Outer::staticVar = 0;

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4. 实例化

嵌套类可以独立于外部类进行实例化，不需要依赖外部类的对象。例如：

Outer::Nested nestedObj;  // 实例化嵌套类对象

嵌套类对象和外部类对象是相互独立的，嵌套类对象不包含外部类对象的任何信息，除非通过显式传递。

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5. 嵌套类的声明与定义

嵌套类可以在外部类中声明，然后在外部类外定义。例如：

class Outer {
public:
    class Nested;  // 前置声明
};

class Outer::Nested {
public:
    void func() {
        // 定义嵌套类的功能
    }
};

这种方式可以分离声明和实现，提高代码的可读性。

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6. 嵌套类的继承

嵌套类可以继承自其他类，也可以被其他类继承。例如：

class Outer {
public:
    class Nested : public SomeBaseClass {
    public:
        void func() {
            // 继承后的功能
        }
    };
};

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7. 嵌套类与友元

嵌套类可以声明外部类为友元，从而允许外部类访问嵌套类的私有成员。例如：

class Outer {
public:
    class Nested {
        friend class Outer;  // 声明外部类为友元
    private:
        int privateVar;
    };
    void accessNested(Nested& nested) {
        nested.privateVar = 10;  // 外部类可以访问嵌套类的私有成员
    }
};

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8. 使用场景

嵌套类在以下场景中非常有用：

• 封装辅助类：常用于实现外部类的辅助功能，例如迭代器或链表节点。
• 提高代码组织性：将相关类组织在一起，减少命名空间污染。
• 实现设计模式：如策略模式或观察者模式，嵌套类可以作为具体的策略或观察者实现。

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9. 注意事项

• 嵌套类的静态成员：嵌套类可以拥有自己的静态成员，这些静态成员属于嵌套类本身，与外部类无关。
• 嵌套类的模板：嵌套类可以是模板类，外部类也可以是模板类。例如：

template <typename T>
class Outer {
public:
    class Nested {
    public:
        T value;
    };
};

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10. 示例

以下是一个完整的示例，展示嵌套类的使用：

#include <iostream>

class Outer {
public:
    int outerVar = 10;
    class Nested {
    public:
        void printOuterVar(Outer& outer) {
            std::cout << outer.outerVar << std::endl;  // 访问外部类成员
        }
    };
};

int main() {
    Outer outer;
    Outer::Nested nested;
    nested.printOuterVar(outer);  // 输出 10
    return 0;
}

在这个例子中，Nested 类通过外部类对象 outer 访问其成员 outerVar。

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11. 总结

嵌套类是 C++ 中一种强大的工具，用于组织和封装代码。它允许在类的内部定义其他类，从而提高代码的模块化和可维护性。理解嵌套类的访问控制、作用域和实例化规则对于正确使用它们至关重要。通过合理使用嵌��类，可以使代码更加清晰和高效。