《C++面向对象进阶:static成员、友元、匿名对象与拷贝优化详解》

目录

1、深入理解构造函数

​编辑2、类型转换

3、static成员

4、友元

5、内部类

6、匿名对象

​编辑7、对象拷贝构造时的编译器优化

情况1

情况2

情况3

情况4


1、深入理解构造函数

1.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。

2.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。

(对前两条进行代码书写,并讲解)

下面就是初始化列表的写法,它等价我们在前面写的在构造函数内部进行赋值初始化,这里的()里面不一定非得是参数值,也可以是表达式。

  1. 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。

(第三条也诠释了使用初始化列表的好处)

3.1 const成员变量

使用初始化列表

在构造函数体内进行赋值初始化

为啥对于const成员变量必须使用初始化列表进行初始化,而不能在函数体内赋值初始化?

需要先清楚C++构造函数的执行步骤:

3.1.1.初始化阶段(初始化列表)

对象的内存刚分配,成员变量还没初始化,此时执行初始化列表,给成员赋值初始值。

3.1.2.赋值阶段(在构造函数体{}内部)

所有成员已经完成默认初始化,对象正式创建完毕,函数体内做的是赋值操作。

const修饰的变量:一旦初始化完成,值就不能被改变。

所有的成员变量都要经过初始化列表进行初始化,当经过了初始化列表之后,进入到构造函数体内再进行赋值,那就会引起编译器报错,有人说:如果不写初始化列表呢?编译器也会走隐式初始化列表,所以还是会报错,所以对于const修饰的成员,需要使用初始化列表进行初始化。

3.2 引用成员变量

对于引用变量的初始化,我们不能使用赋值进行初始化,因为我们在前面学习过对于引用本身不独立开辟内存,只是别名,定义时就必须绑定了一个已存在的变量;而构造函数体执行时,早已经绑定了别名,就不能在函数体内进行赋值了,所以只能在初始化列表完成初始化。

(我们知道对于引用变量时必须要进行初始化,如果你一开始没有写初始化列表,而是编译器尝试默认初始化,当你走到函数体进行赋值操作本身也是一种报错,因为你一开始如果编译器没有完成初始化列表里的初始化,当你走到函数内本质就是违法操作)

3.3 没有默认构造函数

这里只针对于自定义类型的成员变量,对于内置类型的变量,不做过多要求,对于自定义类型的成员变量,如果没有写构造函数,此时编译器会报错,不能完成初始化,所以当没有写构造函数,此时必须在初始化列表中进行初始化。

(为啥没有默认构造函数的成员必须用初始化列表呢?如果你没有写构造函数,那么编译器会走不通,就没有办法完成初始化,只有在初始化列表中进行初始化)

4.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。

(这里的声明给缺省值只针对于初始化列表,当我们在初始化列表当中没有对成员变量进行初始化,此时就要用声明中给的缺省值对成员进行赋值初始化值)

这里我们在初始化列表当中,没有对_day进行传值初始化,那么编译器会给它初始化随机值吗?我们运行发现结果并没有给随机值,而是采用了声明当中给的缺省值,注意,缺省值的使用只限定于在初始化列表当中没有对成员变量进行初始化的成员使用。

5.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。

  1. 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成员变量,每个成员变量都要⾛初始化列表初始化;

(第6条说的也是非常重要的点,初始化列表的初始化顺序是按照声明变量的顺序进行初始化的,下面我们可以看一道题目,就能很好的记住这个知识点)

我们可以看,它在声明当中先声明的是_a2,所以我们在初始化列表当中,需要先进行的是_a2的初始化,但又因为_a2它传入的值是编译器给的垃圾值,所以它初始化出来自然就是随机值,后面紧接着声明的是_a1,它的参数值就是a,也就是1,所以最终打印出的结果就是1和随机值。

下面我们总结一下关于初始化列表的点:

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。

我们平常写的调用构造函数进行初始化一般都是我下面注释掉的这个显式转换,而我们写一下这个隐式转换,首先编译器会用int类型的20,去调用Data(int)这个构造函数,生成一个临时的Data对象,再赋值给d。

上面就是简单的一个过程,先生成一个Data的临时变量,让后再赋值给d对象。

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。

(我们可以看当我们对成员变量+static时,我们再这个构造函数体内进行赋值初始化,编译器会报错,这是因为static修饰的静态成员变量不属于某个类的对象,因为它在内存里只有一份,存放在程序里的全局/静态存储区,不是跟着对象走的。也就是说它的生命周期是全局的,当程序结束它才结束,而构造函数是每个对象创建时都会调用一次,所以不在类里面的构造函数里面初始化,它的初始化是在类外面进行初始化的)。

正确写法:

这里会有一个疑惑,这里的静态成员变量不是private成员吗?为啥在类外面能进行定义初始化呢?这里需要澄清一下这个private,private控制的是【访问权限】,而静态成员的【定义和初始化】不属于访问操作。我们可以写一段代码进行对比一下访问成员变量和定义初始化成员的区别

错误写法:

• 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。

(这里解释一下为啥没有this指针,this指针的本质是:指向【当前调用该成员函数的那个对象】的地址,而静态成员函数不属于任何对象,属于整个类,自然就没有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。

(如果我们非要访问那个静态成员呢?我们可以借助静态成员函数来间接访问静态成员,因为成员函数我们可以访问,而私有成员变量可以在类里面进行访问,所以可以间接访问成员函数就可以访问成员变量了,而静态成员函数又需要通过静态成员函数进行访问,)

• 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。

static的意义:改变生命周期:让变量活的更久,程序不结束它就不消失。

改作用域:控制"谁能访问它"

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。(这里也就是说可以在public或private等限定符任意位置)

下面的一段代码就是用了友元声明,我们此时再次访问私有变量就可以任意访问。

• ⼀个函数可以是多个类的友元函数。

(我们可以在多个类写相同的友元声明,因为多个类并不影响)

• 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。

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。

在这里我们只需要认识一下内部类的格式,就是一个类里面还有一个类,具体的代码如下:

需要注意的是,计算类大小时,类里面的成员变量不做计算,同时static静态成员变量也不参与计算,因为static不是属于某个对象,而是属于整个类。

解答一下第164行代码,为啥要传A的对象aa呢?这是因为我们在这个foo函数内部我们需要访问A类当中的成员变量_h,而我们访问成员变量需要绑定相对应的对象,而这个变量属于类A里面的成员,我们在main函数里面创建了类A 的对象aa,所以我们需要将对象aa传进去。

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

我们可以看下面的代码,我们即写有名对象调用初始化和析构,又写了匿名对象调用初始化和析构,最终的答案都是相同的。

7、对象拷贝构造时的编译器优化

• 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。

情况1

这个我们可以以具体代码为例,来观察编译器对那一步进行了拷贝构造的优化

场景1

我们可以看到这里编译器把拷贝构造这部分优化了,没有优化之前的过程是这样的:

1.用1创建一个临时的A对象

2.再用这个临时的对象拷贝构造aa1

3.析构临时对象

但是我们在运行过程中,只打印了一次构造函数,没有拷贝构造的调用。这就是编译器做的优化。

场景2

这里的const 引用绑定了一个int类型的值,这是C++里一个特殊的规则:const左值引用可以绑定临时

这里编译器会先把1转换为一个临时的A对象,让后让aa2引用这个临时对象,并且把这个临时对象的生命周期延长到aa2一样,也就是main函数结束才析构。

这种场景下,编译器无法优化临时对象的创建,所以我们看到的两次构造函数都是对临时对象的构造调用,以及最后的两次析构都是aa1和aa2绑定的临时变量。

情况2

第一步:A aa(1)调用构造函数A(int,int)进行初始化对象aa1

第二步:f1(aa1)这一步会出触发两次操作:因为是传值,需要用实参aa1创建一个形参aa,此时就要调用拷贝构造函数A(const & aa),函数结束时:形参aa离开作用域,被析构,让后换行,接着析构aa1。

情况3

这里的A(1)是一个匿名对象,也就是临时对象,首先调用构造函数A(int,int),创建一个临时的A对象,接着将这个临时的A对象传给f1(A aa)值传递,所以需要用到拷贝构造,但这里的编译器触发了优化,直接把临时对象当成了形参使用,跳过了拷贝构造。最后结束main函数,对临时对象进行析构。

情况4

****第一步:A(1)这里是匿名对象,属于临时对象,直接调用构造函数,用1创建一个匿名临时对象

第二步:将A(1)这个临时对象传给f1,此时是值传递,需要进行拷贝一个形参aa,此时理论上会调用拷贝构造函数,但是在这里编译器优化了拷贝构造,让后离开了作用域,析构这个匿名的临时对象。

这里我们对拷贝构造在编译器的构造就用到这里吧!

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