【C++基础】类与对象(下) 初始化列表、友元、内部类、匿名对象
内容专栏： C/C++编程
本文概括： C++基础语法。初始化列表、explicit关键字、static成员、友元、内部类、匿名对象、拷贝对象时的一些编译器优化等。
本文作者： 阿四啊
发布时间：2023.9.8
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。
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。
class Date
{
public:
//初始化列表是每个成员列表定义和初始化的地方
//不管你写不写 每个成员都要走初始化列表
Date(int year, int month, int day)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
//每个成员的声明
int _year;
int _month;
int _day;
};
⚠️注意：
- 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)
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
};
⚠️注意：成员变量如果没有在初始化列表初始化，对于内置类型，编译器会给随机值(有些编译器会给0)，对于自定义类型，编译器会去调用它的默认构造函数。
- 声明缺省值(C++11语法)与初始化列表同时存在，那么编译器就会选择使用初始化列表
class Date
{
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
,_month(month)
{
//构造函数体内初始化
}
private:
int _year;
int _month;
int _day = 20;
//C++11支持给缺省值，这个缺省值是给初始化列表的
//如果初始化列表没有显示给值，那么就用这个缺省值
//如果显示给值了，就不用这个缺省值
};
int main()
{
Date d1(2023, 10, 1);
Date d2;
return 0;
}
- 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!
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();
}
/*A. 输出1 1
B.程序崩溃
C.编译不通过
D.输出1 随机值
*/
结果为：D、输出1 随机值
explicit关键字
单参数的隐式类型转换
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，还具有隐式类型转换的作用。
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
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构造一个临时对象，最后用临时对象给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
}
多参数的隐式类型转换
//多参数的隐式类型转换
class B
{
public:
//explicit B(int b1, int b2) // 禁止多参数构造类型转换
B(int b1, int b2)
:_b1(b1)
,_b2(b2)
{
cout << "B(int b1, int b2)" << endl;
}
private:
int _b1;
int _b2;
};
int main()
{
//C++ 11支持多参数的转换
B bb1(1, 1);
B bb1 = {2, 2};
const B& ref = {2, 2};
}
static成员
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。
static成员变量
⚠️注意：静态成员变量一定要在类外进行初始化，初始化时不用加上static关键字。
class MyClass {
private:
static int count; // 静态成员变量声明
};
int MyClass::count = 0; // 初始化静态成员变量
面试题：实现一个类，计算程序中累计创建了多少个对象？正在使用的有多少个对象？
以下是将成员变量限定为`public`
思路： 正在使用的对象：即调用了一次构造函数或者拷贝构造函数，那么对应也会调用一次析构函数。
累计创建的对象：即一共调用了多少次构造函数或者析构函数，不算作调用析构函数。
我们用`active`变量统计正在使用的对象；用`total`变量统计累计创建的对象
//正在使用的有多少个对象
//int active
//累计创建的有多少个对象
//int total
class A
{
public:
A()
{
active++;
total++;
}
A(const A& a)
{
active++;
total++;
}
~A()
{
active--;
}
/* int Get_active()
{
return active;
}
int Get_total()
{
return total;
}
*/
//private:
/*静态成员变量属于所有A对象 属于整个类*/
//正在使用对象的声明
static int active;
//累计使用对象的声明
static int total;
};
//正在使用对象的定义
int A::active = 0;
//累计使用对象的定义
int A::total = 0;
A fun(A aa)
{
return aa;
}
int main()
{
A a1;
A a2;
cout << A::total << " " << A::active << endl;
A();
cout << A::total << " " << A::active << endl;
fun(a1);
cout << A::total << " " << A::active << endl;
return 0;
}
上述代码打印结果：
2 2
3 2
5 2
如果将成员变量设为公有的，那么我们岂不是可以在外面能够随便修改total、active吗？所以这么写导致代码不具安全性。那么我们只好将成员变量限定为private，那么我们可以将成员变量封装成为一个函数，在创建对象时，直接进行调用成员函数即可。
那么问题又来了，我们这里创建匿名对象该如何去调用封装的函数Get_active()和 Get_total()呢？
int main()
{
//匿名对象
A();
A();
A();
//匿名这里该如何去调用Get_active和Get_total函数呢？
//cout << ??? << endl;
return 0;
}
下面就有了静态成员函数的概念：
static成员函数
如果将静态成员变量放入成员函数体中，那么就需要将此函数用static加以修饰。
class A
{
public:
A()
{
active++;
total++;
}
A(const A& a)
{
active++;
total++;
}
~A()
{
active--;
}
//静态成员函数的特别：没有this指针
static int Get_active()
{
//若有非静态成员，则不能访问非静态成员，因为没有this指针
return active;
}
static int Get_total()
{
return total;
}
private:
/*静态成员变量属于所有A对象 属于整个类*/
//正在使用对象的声明
static int active;
//累计使用对象的声明
static int total;
};
//正在使用对象的定义
int A::active = 0;
//累计使用对象的定义
int A::total = 0;
A fun(A aa)
{
return aa;
}
int main()
{
//匿名对象
A();
A();
A();
//通过类名+作用域操作符:: 访问静态成员函数
cout << A::Get_total() << " " << A::Get_active() << endl;
return 0;
}
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
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：在类与对象(中)，我们实现日期类，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。
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。
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。在继承章节再给大家详细介绍。
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
概念：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：
- 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。
//B类受A类域和访问限定符的限制，其实他们是两个独立的类
class 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
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();
//const引用会延长匿名对象的生命周期
//ref出了作用域，匿名对象就销毁了
const A& ref = 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;
}
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;
}
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;
}
再谈类和对象
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。比如想要让计算机认识洗衣机，就需要：
- 用户先要对现实中洗衣机实体进行抽象—即在人为思想层面对洗衣机进行认识，洗衣机有什
么属性，有那些功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程 - 经过1之后，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认识，只不过此时计算机还不清
楚，想要让计算机识别人想象中的洗衣机，就需要人通过某种面相对象的语言(比如：C++、
Java、Python等)将洗衣机用类来进行描述，并输入到计算机中 - 经过2之后，在计算机中就有了一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣
机对象进行描述的，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
能洗衣机是什么东西。 - 用户就可以借助计算机中洗衣机对象，来模拟现实中的洗衣机实体了。
在类和对象阶段，大家一定要体会到，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。