C++语言第二章类和对象(下)

一.构造函数的拓展

1.构造函数体赋值

在上一章节，我们学习过构造函数的作用：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。但是这一行为并不是成员变量的初始化，顶多算是赋予初值的行为。

cpp 复制代码

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

private:    //成员变量
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};

上述代码在构造函数调用之后，对象已经有一个初始值，但是不能将其称为对对象成员变量的初始化，构造函数体的语句只能将其称为赋初值，而不能称为初始化。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。所以就有了初始化列表用于调用构造函数时，对成员变量进行初始化。下面是初始化列表的形式：

2.初始化列表

初始化列表"：以一个冒号开始，接着是一个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的初始值或者表达式。下面是相关初始化列表的代码示例：

cpp 复制代码

class Date
{
public:
 Date(int year, int month, int day)    
     : _year(year)    //初始化列表
     , _month(month)
     , _day(day)
 {}
 
private:
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};

上面代码就是初始化列表的用例，初始化列表与构造函数体内赋值的区别：

初始化列表：在成员变量创建阶段直接进行初始化，早于函数体内赋值执行；内置类型与函数体内赋值大差不差，但是对于自定义类成员，初始化列表会直接调用对应构造；支持const和引用，效率更高。

构造函数体内赋值：成员先默认创建，随后再进行赋值覆盖，比初始化列表多一项操作；对于自定义类成员，函数体内赋值会先调用默认构造函数再调用赋值重载；不支持const和引用。

注意：

每个成员变量在初始化列表只能出现一次（初始化只能初始化一次）
类中包含以下成员，必须且只能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（且该类没有默认的构造函数）

cpp 复制代码

class A
{
public:
 A(int a)    
 :_a(a)    //初始化列表
 {}

private:
 int _a;
};

class B
{
public:
 B(int a, int ref)
 :_aobj(a)        //初始化列表
 ,_ref(ref)
 ,_n(10)
 {}

private:
 A _aobj;  // 没有默认构造函数
 int& _ref;  // 引用
 const int _n; // const 
};

3.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，对于自定义类型的成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。

cpp 复制代码

class Time
{
public:
 Time(int hour = 0)
 :_hour(hour)    //初始化列表
 {
 cout << "Time()" << endl;
 }

private:
 int _hour;
};

class Date
{
public:
 Date(int day)
 {}

private:
 int _day;
 Time _t;
};

int main()
{
    Date d(1);
}

当类中出现自定义类型成员时，先初始化所有成员对象，随后再执行当前类构造函数的函数体。首先函数进入主函数内部，创建Date d(1)，随后进入Date的构造函数中，首先初始化Date类的所有成员对象，因为Date类没有初始化列表，所以_day会被赋予一个随机值。接下来初始化Time _t，进入Time类中，因为构造函数使用缺省参数，所以hour被初始化为0，最后将Time()打印在了屏幕上。

4.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的顺序，与其在初始化列表的先后次序无关。

cpp 复制代码

class A
{
public:
    A(int a)
       :_a1(a)    //初始化列表
       ,_a2(_a1)
   {}
    
    void Print() {
        cout<<_a1<<" "<<_a2<<endl;
   }

private:
    int _a2;    //类中成员变量的声明
    int _a1;
};

int main() 
{
    A aa(1);
    aa.Print();
}

A. 输出1  1
B.程序崩溃
C.编译不通过
D.输出1  随机值

上述代码的具体解释：因为成员变量的初始化顺序是初始化列表的顺序，根据上面的代码知道类中成员变量的声明顺序为a2、a1。所以在初始化列表中，成员变量的初始化顺序为a2、a1。最终得出结论：将参数1传给构造函数，先初始化a2，但是初始化a2时，a1并没有初始化，所以a2是随机值；a1是1。

3.explicit关键字

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

cpp 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)    //赋值运算符的重载
 {
 if (this != &d)
 {
 _year = d._year;
 _month = d._month;
 _day = d._day;
 }
 return *this;
 }
    
private:        //成员变量的声明
 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（临时对象），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
}

通过上述代码的学习，我们知道了explicit关键字的作用是修饰单参数构造函数，禁止编译器自动隐式类型转换，只允许显式调用构造。

总结：关键字修饰构造函数；禁用类名=参数的隐式类型转换；只能类名(参数)显式创建对象；成员初始化顺序初始化列表不受该关键字的限制。

在使用了该关键字之后，当写出类名=参数的代码时就会编译报错

上述代码的可读性不是很好，用explicit关键字修饰构造函数，将会禁止构造函数的隐式转换。

二.static成员

1.概念

声明为static的类成员被称为类的静态成员，用static修饰的成员变量，称为静态成员变量；用static修饰的成员函数，称为静态成员函数，静态成员变量一定要在类外进行初始化。

面试题：实现一个类，计算程序中创建了多少个类对象？

cpp 复制代码

class A
{
public:

 A()     //构造函数
{ 
++_scount; 
}

 A(const A& t)     //拷贝构造函数
{ 
++_scount; 
}

 ~A()     //析构函数
{
 --_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;
}

上述代码的具体解释：首先定义静态变量存储创建类对象的个数。每当创建一个类对象，该计数器就加一，该计数器变量会在程序调用构造函数或者拷贝构造函数时加1，每销毁一个类对象就将计数器变量的值减一。因为该静态成员属于类中的变量，所有类对象共享同一份计数器变量。并且类中有获取计数器数值的成员函数，这样提高了代码的封装性。

2.特性

静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的类对象，存放在静态区
静态成员变量必须在类外面定义，定义时不添加static关键字，类中只是声明
类静态成员可以类名::静态成员或者对象.静态成员的方式进行访问
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
静态成员也是类的成员，受public、protected、private访问限定符的限制

问题：

1.静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？

静态成员不能直接调用非静态成员函数，静态成员函数属于类，但是没有隐含的this指针。而非静态成员函数的调用需要用到this指针。如果需要强行调用，则需要将类对象或者类对象的指针传给静态成员函数作参数。利用类对象间接调用非静态成员函数。

2.非静态成员函数可以调用静态成员函数吗？

非静态成员函数可以调用静态成员函数，非静态成员函数中带有隐含的this指针。可以通过类名调用静态成员函数，也可以直接调用静态成员函数。

三.友元

友元提供了一种突破封装的方式，有时提供了便利。但是友元会增加程序的耦合度，破坏了封装，所以友元不适合多用。

友元分为友元函数和友元类，下面进一步来介绍友元的分类：

1.友元函数

在学习友元函数之前，先尝试重载operator<<，然后发现没办法重载该运算符。因为 cout的输出流对象和隐含的this指针位置不匹配。this指针默认是第一个参数的位置，也就是左操作数。但是实际使用cout需要是第一个形式参数才能正常使用。所以需要将operator重载定义成全局函数。但是又会导致类外没办法访问成员，此时就需要友元来解决。

cpp 复制代码

class Date
{
public:
 Date(int year, int month, int day)    //构造函数
     : _year(year)    //初始化列表
     , _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;
};

上述代码的具体解释：如果要实现C++语言的输出运算符的重载，首先cout<<d1是常规的输出运算符的使用，可以看出cout是左操作数，d1是右操作数。所以重载函数的第一个参数必须是ostream类型的，第二个才是this指针指向d1。但是在类中的运算符重载函数中，this指针总是参数的第一个位置。所以要想实现cout的重载，必须将重载函数放在类外，为了解决这一问题，这时候就引入了友元函数。

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，声明时需要加上friend关键字。下面是友元函数的用例：

cpp 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;
}

从上述代码可以看出：友元函数就是将函数声明前面加上关键字friend，这样就能让该函数时此类的朋友一样（只是朋友，并不是类的成员函数），能畅通无阻的使用类中的内容。这样就突破了封装性，成功将C++输出运算符cout重载了。

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关键字修饰，友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符的限制。一个函数可以是多个类的友元函数的调用与普通函数的调用原理相同。

2.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。

比如上述代码的Time和Date类，在Time类中声明Date类为友元类，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。友元关系也不能传递：如果C是B的友元，B是A的友元，则不能得出C是A的友元，友元关系不能继承，在继承位置再详细介绍。

cpp 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;
};

类似于友元函数，将日期类声明为时间类的友元类。所以日期类可以直接访问时间类的成员变量或者成员函数。

四.内部类

1.概念

如果一个类在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，参与友元类的定义，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。

2.特性

内部类可以定义在外部的public、protected、private限定符下
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
sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系

cpp 复制代码

class A
{
private:
 static int k;
 int h;
public:
 class B // B天生就是A的友元，B是A的内部类
 {
 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;
}

上述代码的具体解释：将B类定义在A类的内部，所以B就是A的内部类，可以访问外部类A的所有成员。但是这里需要注意的是外部类A不是内部类的友元类。

五.匿名对象

cpp 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()
{
 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 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，这个我们以后遇到了再说
 Solution().Sum_Solution(10);
 return 0;
}

匿名对象的特征：

创建形式：没有变量名即可：类名(实参)
生命周期短，仅当前语句，执行完当前语句就立刻析构
典型使用场景：临时调用成员函数，不用创建变量占用内存；作为函数返回值、传参临时值；初始化对象（会被编译器优化，消除临时拷贝）

六.拷贝对象时编译器的优化

编译器会消除临时变量的拷贝构造，减少一次拷贝和析构的资源消耗，属于标准允许的强制优化，不改变程序逻辑

cpp 复制代码

class A
{
public:
 A(int a = 0)    //构造函数
 :_a(a)
 {
 cout << "A(int a)" << endl;
 }

 A(const A& aa)    //拷贝构造函数
 :_a(aa._a)
 {
 cout << "A(const A& aa)" << endl;
 }

A& operator=(const A& aa)        //赋值运算符的重载
 {
 cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
 if (this != &aa)
 {
 _a = aa._a;
 }
 return *this;
 }

 ~A()        //析构函数
 {
 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;
}

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，减少对对象的拷贝，这个在一些场景下还是非常有用的。

七.封装的再理解

再次理解类和对象：现实生活中的实体计算机并不认识，计算机只认识二进制格式的数据。如果想要让计算机认识现实生活中的实体，用户必须通过某种面向对象的语言，对实体进行描述，然后通过编写程序，创建对象后计算机才可以认识。下面我将举出生活中的例子来让大家理解封装：

比如想让计算机认识洗衣机，就需要：

用户先对现实中洗衣机实体进行抽象---即就是在人为思想面对洗衣机进行认识，洗衣机有什么属性，有什么功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程
经过上述的抽象过程，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认知，只不过此时的计算机还不清楚，想要计算机认识人们眼中的洗衣机，就要人通过某种面向对象的语言（比如C++语言、Java、Python）将洗衣机用类来描述，并输入到计算机中。
经过上述操作后，在计算机中就会出现一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣机进行描述的，通过洗衣机类，可以实例化出一个个具体的洗衣机对象，此时计算机才能理解洗衣机是什么东西。
用户可以借助计算机中的洗衣机类，来模拟现实中的洗衣机实体了。

在抽象类和对象阶段，我们应该认识到：类是对某一类实体来进行描述的，描述该对象具有哪些属性/哪些方法。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是可以实例化具体的形象。

上述图片就是计算机世界和现实生活中的联系，打通之间联系的就是面向对象的计算机语言，通过我们学习的语言来向计算机描述现实生活中的事物。