【C++从入门到放弃】类和对象（下）——（再识构造函数、static成员、友元、内部类、匿名对象、拷贝对象时的编译器优化）
作者： @情话0.0
专栏：《C++从入门到放弃》
个人简介：一名双非编程菜鸟，在这里分享自己的编程学习笔记，欢迎大家的指正与点赞，谢谢！
类和对象（下）
- 前言
- 一、再识构造函数
-
- 1. 构造函数体的赋值
- 2. 初始化列表
- 3. 隐式类型转换和 explicit 关键字
- 二、static 成员
-
- 1. 概念
- 2. 特性
- 三、友元
-
- 1. 友元函数
- 2. 友元类
- 四、 内部类
- 五、 匿名对象
- 六、拷贝对象时的一些编译器优化
- 总结
前言
此篇文章是在之前的基础上再对类和对象做一些补充
一、再识构造函数
1. 构造函数体的赋值
在学习了构造函数之后，那有一个问题就是类对象的成员变量是在什么时候在什么地方初始化的呢？
我们都知道编译器会通过调用构造函数给每一个对象的成员变量一个合适的初始值，那这个操作是不是成员变量的初始化呢？答案非也。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;//此处的并非初始化
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
虽然上述构造函数调用之后，类对象中会有一个初始值，但是不能将其称为对类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。
那么在类的成员变量声明的时候赋给每个成员变量一个值是不是初始化呢？非也！
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;//此处的并非初始化
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year = 2000;
int _month = 1;
int _day = 9;
};
在声明的时候给每一个成员变量参数值只能称为缺省值，它的作用就是在类对象定义时而没有给明确的参数时就会使用这里给到的缺省值。要不然这个对象的成员变量就都是随机值。
2. 初始化列表
其实对于构造函数来说，他有自己的初始化列表。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。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
: _year(year)//初始化列表
, _month(month)
, _day(day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
- 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）
- 类中包含以下成员必须在初始化列表中进行初始化：引用成员变量、const成员变量、自定义类型成员且类中没有默认的构造函数。
class Time
{
public:
A(int hour)
:_hour(hour)
{}
private:
int _hour;
};
class Date
{
public:
B(int hour, int year)
:_hour(hour)
,_year(year)
,_n(1)
{}
private:
Time _hour; // 没有默认构造函数
int& _year; // 引用
const int _n; // const
};
- 在使用构造函数的时候尽量使用初始化列表初始化，因为不管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。
- 成员变量的在类中的声明先后次序就是它在初始化列表里初始化的先后次序，与初始化列表里的先后次序无关。也就是说，成员变量的初始化先后次序是根据声明顺序而定的。
class A
{
public:
A(int a)
:_a1(a)
,_a2(_a1)
{}
void Print()
{
cout<<_a1<<" "<<_a2<<endl;
}
private:
int _a2;
int _a1;
};
int main()
{
A a(1);
a.Print();
}
注意看上面的代码，在类中声明成员变量时是先声明 _a2，再声明_a1的，尽管在构造函数的初始化列表中 _a1 在_a2 之前，但顺序还是按照声明的先后次序来的，那么最终导致的结果就是先用 _a1 的值初始化 _a2，但是现在的 _a1并没有被初始化，它只是一个随机值，那么 _a2 的最终结果就为一个随机值，接下来才是 _a1被初始化为形参 1。那么最终的输出结果就为 1 和一个随机值。
3. 隐式类型转换和 explicit 关键字
先看一段代码：
class A
{
public:
//explict A(int a)
A(int a)
:_a1(a)
{}
//explicit A(int a1, int a2)
A(int a1, int a2)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{}
private:
int _a2;
int _a1;
};
int main()
{
// 单参数构造函数 C++98
A aa1(1); // 构造函数
A aa2 = 1; // 隐式类型转换 构造+拷贝(优化)->构造
const A& ref = 10;
// 多参数构造函数 C++11
A aa2(1, 1);
A aa3 = { 2, 2 };
const A &ref = { 2, 2 };
return 0;
}
在main函数中，通过构造函数创建了 aa1 对象，这个大家应该都是明白的，再看对象 aa2 ，这个是先通过构造函数创建了一个临时对象，然后再通过拷贝构造函数将这个临时对象拷贝给对象 aa2，但是在C++98中，编译器存在隐式类型转换，正是因为这样的构造、拷贝太复杂，所以将这两个过程直接优化成为了构造过程。
这时又有个问题，你怎么知道那里会有一个临时对象？可以看main函数的第三行代码，如果前面不加const的话这个是编译不过去，因为使用数字10构建了一个临时对象，而临时对象又无法拷贝给一个引用对象，所以只有通过加上cosnt修饰才可以拷贝过去。
同样的对于多参数的构造函数来说也存在着隐式类型转换，和单参的原理差不多，只是多参数的隐式类型转换是在C++11中提出来的。
有的时候我们是不希望这里有隐式类型转换，那么我可以通过在构造函数前加一个关键字 explicit 即可，也就是用explicit 修饰构造函数，将会禁止构造函数的隐式转换。
二、static 成员
在讲 static 之前，考虑一个这样的问题说：实现一个类，计算程序中创建了多少个类对象？
当考虑到这样一个问题，我第一个想到的是可以通过全局变量的方法来解决这个问题：
int count = 0;
class A
{
public:
A()
{
::count++;
}
A(const A& t)
{
::count++;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A a1;
A a2(a1);
A a3 = a2;
cout << ::count << endl;
return 0;
}
从最终的一个输出结果可以看到这个方法是可行的，但是通过全局变量的方法来解决这个问题会有一个不足之处——就是万一有人对这个全局变量进行了自增或自减，那么就会导致最终的结果出现错误。基于这样的不足，我们可以通过静态变量以及静态成员函数的方法更好的解决这个问题。
1. 概念
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。
class A
{
public:
A()
{
_count++;
}
A(const A& t)
{
_count++;
}
static int Getcount()
{
return _count;
}
private:
static int _count;
int _a;
};
int A::_count = 0;
int main()
{
A a1;
A a2(a1);
A a3 = a2;
cout << A::Getcount() << endl;
cout << a1.Getcount() << endl;
cout << a2.Getcount() << endl;
cout << a3.Getcount() << endl;
return 0;
}
之所以可以通过这样的方法解决这个问题的根本就在于静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的实例，也就是说每创建一个对象都会对静态变量 _count++ 。可以看到要获取类对象的个数的函数调用有多种形式，第一种表示的是从这个类当中去获取类对象的个数，而后面的三种都表示去对应的类对象里获取，而静态变量对于每一个对象都是共享的，所以获取的个数都是一样的，因为它们获取的是同一个元素。
2. 特性
- 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
- 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
- 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
- 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
三、友元
友元分为：友元函数和友元类
友元提供了一种突破封装的方式（可以访问限制型的类成员），有时提供了便利。但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以友元能不用就不用。
1. 友元函数
假设说我们现在要重载operator<<，但是发现没办法将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。
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;
};
int main()
{
Date d(2023,3,22);
//cout<
d<<cout;//为了让this指针充当第一个参数，所以就这样进行日期输出（只是为了让参数对应起来）
return 0;
}
为了避免上面的那样不太合乎常理的传参方式，可以通过使用友元函数的方法来解决这个小瑕疵。
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。
class Date
{
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
Date(int year = 2000, int month = 1, int day = 9)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
//友元函数
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;
}
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
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
比如在上面的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B是A的友元， C是B的友元，则不能说明C时A的友元。
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;
四、 内部类
如果一个类定义在另一个类的内部，这个定义在内部的类被称为内部类。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：
- 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
- 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。
class A
{
private:
static int k;
int h = 1;
public:
class B // B就是A的友元
{
public:
void func(const A& a)
{
cout << k << endl;
cout << a.h << endl;
}
};
};
int A::k = 1;
int main()
{
A::B b;
b.func(A());
return 0;
}
五、 匿名对象
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)
{
//...
cout << "Sum_Solution(int n)" << endl;
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();
// 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，在这一行结束之后就会自动调用析构函数
A();
A aa2(2);
// 匿名对象
Solution().Sum_Solution(10);
return 0;
}
六、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。
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;
}
void func1(A aa)
{}
void func2(const A& aa)
{}
A func3()
{
A aa;
return aa;
}
A func4()
{
return A();
}
int main()
{
A a1 = 1;//构造+拷贝构造--->构造
func1(a1);//拷贝构造
func1(1);//构造+拷贝构造--->构造
func1(A(1));//构造+拷贝构造--->构造
func2(a1);//无优化
func2(1);//无优化 构造
func2(A(1));//无优化 构造
func3();//无优化
A a2 = func3();//构造+拷贝构造+拷贝构造--->构造+拷贝构造
func4();//构造+拷贝构造--->构造
A a3 = func4();//构造+拷贝构造+拷贝构造--->构造+拷贝构造
return 0;
}
上图就表明了对一些多次拷贝构造+构造的优化。
总结：
- 接收返回值对象时，尽量使用拷贝构造的方式接收，不要赋值接收（没有拷贝优化）
- 函数中返回对象时，尽量返回匿名对象（减少了一次拷贝构造）
- 尽量使用 const+& 的方式传值
总结
在类和对象阶段，我们一定要体会到，类是对某一类实体(对象)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可以实例化具体的对象。
