C++编程学习(二) —— C++进阶编程

本阶段主要针对C++面向对象编程技术做详细讲解，探讨C++中的核心和精髓。

1 内存分区模型

C++程序在执行时，将内存大方向分为4个区域：

• 代码区：存放函数体的二进制代码，由操作系统进行管理；
• 全局区：存放全局变量和静态变量以及常量；
• 栈区：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量等；
• 堆区：由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收。

在程序运行前有代码区和全局区，程序运行后才有栈区和堆区。

内存四区意义：

不同区域存放的数据，赋予不同的生命周期，给我们很大的灵活编程。

1.1 在程序运行前

在程序编译后，生成了exe可执行文件，未执行该程序前分为两个区域：

代码区：

​ 存放CPU执行的机器指令；

​ 代码区时==共享==的，共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中由一份代码即可；

​ 代码区是==只读==的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令。

全局区：

​ 全局变量和静态变量存放在此；

​ 全局区还包含了常量区，字符串常量和其他常量（也包括const修饰的变量）也存放在此；

​ 该区域的数据在程序结束后由操作系统释放。

总结：

不在全局区中：局部变量、const修饰的局部变量

在全局区中：全局变量、静态变量(static关键字修饰的变量)、常量(字符串常量、const修饰的全局变量(全局常量))

例如：

#include
using namespace std;

//全局变量
int g_a = 10;
int g_b = 10;

//const修饰的全局变量，全局常量
const int c_g_a = 10;
const int c_g_b = 10;

int main() {
   
	//全局区
	//全局变量、静态变量、常量
	//静态变量，在普通变量前面加static，属于静态变量
	static int s_a = 10;
	static int s_b = 10;
	//常量：字符串常量
	cout << "字符串常量的地址为：" << (int)&"hello world" << endl;
	//const修饰的变量:const修饰的全局变量、const修饰的局部变量
	//const修饰的全局变量
	cout << "const修饰的全局常量c_g_a的地址为：" << (int)&c_g_a << endl;
	cout << "const修饰的全局常量c_g_b的地址为：" << (int)&c_g_b << endl;

	//const修饰的局部变量
	const int c_l_a = 10; //c-const g-global l-local
	const int c_l_b = 10; //
	cout << "const修饰的局部常量c_l_a的地址为：" << (int)&c_l_a << endl;
	cout << "const修饰的局部常量c_l_b的地址为：" << (int)&c_l_b << endl;

	//创建普通局部变量
	int a = 10;
	int b = 10;

	cout << "局部变量a的地址：" << (int)&a << endl;
	cout << "局部变量b的地址：" << (int)&b << endl;

	cout << "全局变量g_a的地址：" << (int)&g_a << endl;
	cout << "全局变量g_b的地址：" << (int)&g_b << endl;

	cout << "全局变量s_a的地址：" << (int)&s_a << endl;
	cout << "全局变量s_b的地址：" << (int)&s_b << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

运行结果：

总结：

• C++中在程序运行前分为全局区和代码区；
• 代码区特点是共享和只读；
• 全局区中存放全局变量、静态变量、常量；
• 常量区存放const修饰的全局变量(也称全局常量)和字符串常量。

1.2 程序运行后

栈区：

由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量等。

注意事项：不要返回局部变量的地址，栈区开辟的数据由编译器自动释放。

错误示例：下面程序中返回局部变量的地址是错误的，栈区的数据运行后会自动释放。

#include
using namespace std;

int* func(int b) {
   //形参数据也会放在栈区
	b = 100;
	int a = 10;//局部变量 存放在栈区，栈区的数据在函数执行完后自动释放
	return &a;//返回局部变量的地址，这样写是错误的，不能返回形参的地址
}

int main() {
   
	//接受func函数的返回值
	int* p = func(1);

	cout << *p << endl;//第一次可以打印正确的数字，是因为编译器做了保留
	cout << *p << endl;//第二次这个数据就不再保留(在32位运行环境中)

	system("pause");
	return 0;
}

堆区：

由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收

在C++中主要利用new在堆区开辟内存

示例：

#include
using namespace std;

int* func() {
   
	//利用new关键字可以将数据开辟到堆区，下面的代码将10存放到堆区，将10的地址作为栈区中指针变量p的值
	int* p = new int(10);//这里的指针本质也是局部变量，放在栈上，指针保存的数据是放在堆区
	return p;
}

int main() {
   
	//在堆区开辟数据
	int* p = func(); 
	cout << *p << endl;//

	system("pause");
	return 0;
}

总结：

​ 堆区数据由程序员管理开辟和释放。

​ 堆区数据利用new关键字进行开辟内存

1.3 new操作符

C++中利用new操作符在堆区开辟数据

堆区开辟的数据，由程序员手动开辟，手动释放，释放利用操作符delete

语法：new 数据类型

利用new创建的数据，会返回该数据对应的类型的指针。

示例：基本语法

#include
using namespace std;

int* func() {
   
	//在堆区创建整型数据
	//new返回的是该数据类型的指针
	int* p = new int(10);//double* p = new double(6.23);//如果是double类型这样写。
	return p;
}

void test01() {
   
	int* p = func();
	cout << *p << endl;
	delete p;//释放数据的地址
	//cout << *p << endl;//不能用这句命令，由于*p的地址已经释放，没有权限访问
}

void test02() {
   
	//创建10整型数据的数组，在堆区
	int* arr = new int[10];//
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
		arr[i] = i + 100;//给10个元素赋值 100~109
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
   
		cout << arr[i] << endl;
	}

	//释放堆区数据
	//释放数组的时候，要加[]才可以
	delete[] arr;
}

int main() {
   
	test01();
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

2 引用

2.1 引用的基本操作

作用：给变量起别名

语法：数据类型 &别名 = 原名

示例：

#include
using namespace std;

int main() {
   
	int a = 10;
    //引用基本语法
	//数据类型 &别名 = 原名
	int& b = a;
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;

	b = 100;
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

2.2 引用注意事项

• 引用必须初始化
• 引用在初始化后，不可以改变

示例：

#include
using namespace std;

int main() {
   
	
	int a = 10;
	int c = 20;
	//数据类型 &别名 = 原名
	int& b = a;
	//int& b;//这一行是错误的，引用必须初始化
	//int& b = c;//这一行是错误的，此时的b已经初始化为a的别名，不能更改

	b = c;//赋值操作，而不是引用

	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;

	b = 100;
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

2.3 引用做函数参数

作用：函数传参时，可以利用引用的技术让形参修饰实参

优点：可以简化指针修改实参

示例：

#include
using namespace std;

//值传递，形参不会修饰实参（形参无法改变实参）
void swap01(int a, int b) {
   
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//地址传递，形参会修饰实参
void swap02(int* a, int* b) {
   
	int temp = *a;
	*a = *b;
	*b = temp;
}

//引用传递，形参会修饰实参
void swap03(int& a, int& b) {
   //利用引用，对引用的操作即是对原始数据的操作
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

int main() {
   
	
	int a = 10;
	int b = 20;
	
	swap01(a, b);
	cout << "swap01 a = " << a << endl;
	cout << "swap01 b = " << b << endl;

	a = 10;
	b = 20;
	swap02(&a, &b);
	cout << "swap02 a = " << a << endl;
	cout << "swap02 b = " << b << endl;
	
	a = 10;
	b = 20;
	swap03(a, b);
	cout << "swap03 a = " << a << endl;
	cout << "swap03 b = " << b << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

总结：通过引用参数产生的效果同按地址传递是一样的。引用的语法更加清楚简单。

2.4 引用做函数返回值

作用：引用是可以作为函数的返回值存在的。

注意：不要返回局部变量引用

用法：函数调用作为左值

示例：

#include
using namespace std;

int& test01() {
   
	int a = 10;//局部变量存放在四区中的栈区
	return a;//不要返回局部变量的引用，这里的代码是错误的
}

int& test02() {
   
	static int a = 10;//静态变量存放在全局区，全局区上的数据在程序结束后由系统释放
	return a;
}

int main() {
   
	//引用做函数的返回值
	
	//函数的调用可以作为左值
	/*
	int& ref = test01();
	cout << "ref = " << ref << endl;//第一次结果正确，是因为编译器做了保留
	cout << "ref = " << ref << endl;//第二次结果错误，因为a的内存已经释放（32位编译环境）
	*/
	int& ref2 = test02();//这里的代码是
	cout << "ref2 = " << ref2 << endl;
	test02() = 1000;//如果函数的返回值是引用，这个函数的调用可以作为左值
	cout << "ref2 = " << ref2 << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

2.5 引用的本质

本质：引用的本质在C++内部实现是一个指针常量。

讲解示例：

#include
using namespace std;

//发现是引用，转换为 int* const ref = &a
void func(int& ref) {
   
	ref = 100;//ref是引用，转换为*ref = 100
}

int main() {
   
	int a = 20;

	//自动转换为 int* const ref = &a; 指针常量是指针指向不可改，也说明为什么引用也不可更改指向
	int& ref = a;
	ref = 20;//内部发现ref是引用，自动帮我们转换为：*ref = 20;
	
	cout << "a：" << a << endl;
	cout << "ref2：" << ref << endl;
	func(a);
	cout << "a：" << a << endl;
	cout << "ref2：" << ref << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

总结：C++推荐用引用技术，因为语法方便，引用本质是指针常量，但是所有的指针操作编译器都帮我们做了。

2.6 常量引用

作用：常量引用主要用来修饰形参，防止误操作

在函数形参列表中，可以加const修饰形参，防止形参改变实参

示例1：

#include
using namespace std;

int main() {
   
	int a = 10;
	//int& ref = 10;//引用必须引用合法的内存空间，不能直接引用数值
	const int& ref = 10;//加上const之后，编译器将代码修改为：int temp = 10; const int& ref = temp;
	//ref = 20;//加入const之后，变成只读状态，不可以修改

	cout << "a：" << a << endl;
	cout << "ref：" << ref << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

示例2：

#include
using namespace std;

void showValue(const int& ref) {
   //加入const后无法修改数据，防止误操作
	//ref = 1000;//无法修改
	cout << "value：" << ref << endl;
}

int main() {
   
	int a = 100;
	showValue(a);

	system("pause");
	return 0;
}

3 函数提高

3.1 函数默认参数

在C++中，函数的形参列表中的形参是可以有默认值的。

语法：返回值类型 函数名 (参数 = 默认值) {}

示例：

#include
using namespace std;

int func(int a, int b = 20, int c = 30) {
   
	return a + b + c;
}

//1.如果某个位置已经有了默认参数，那么从这个位置往后，从左到右都必须有默认值
//int func(int a= 20, int b, int c) {//这一行有误，b和c必须有默认参数，才是正确的
//	return a + b + c;
//}

//2.如果函数的声明有默认参数，函数实现就不能有默认参数。函数声明和函数实现只能有一个有运行参数
//虽然代码没有报错，但是存在错误
int func2(int a = 10, int b = 10);

int main() {
   
	int a = 100;
	cout << func(10) << endl;
	cout << func(10, 30) << endl;//如果传了某个值，则用传过去的值
	cout << func2() << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

int func2(int a, int b) {
   
	return a + b;
}

总结：

1. 如果函数实现中某个位置已经有了默认参数，那么从这个位置往后，从左到右都必须有默认值；
2. 如果函数实现中已经定义了默认参数的值，如果主函数中如果调用这个函数，则用传过去的值进行函数运算；
3. 如果函数的声明有默认参数，函数实现就不能有默认参数。函数声明和函数实现只能有一个有运行参数。

3.2 函数占位参数

C++中函数的形参列表里可以有占位参数，用来做占位，调用函数时必须填补该位置。

语法：返回值类型 函数名 (数据类型) {}

在现阶段函数的占位参数存在意义不大，但是后面的课程中会用到该技术。

示例：

#include
using namespace std;

//占位参数还可以有默认参数，例如：
//void func(int a,int = 10) {
   
void func(int a,int) {
   
	cout << "This is function." << endl;
}

int main() {
   
	int a = 100;
	func(a,10);//调用时必须填补该位置

	system("pause");
	return 0;
}

3.3 函数重载

3.3.1 函数重载概述

作用：函数名可以相同，提高复用性

函数重载满足条件：

• 同一个作用域下
• 函数名称相同
• 函数参数类型不同或者个数不同或者顺序不同

注意：函数的返回值不可以作为函数重载的条件

示例：

#include
using namespace std;

//函数重载
//可以让函数名相同，提高复用性
void func() {
   
	cout << "func 的调用" << endl;
}

void func(int a) {
   
	cout << "func(int a) 的调用" << endl;
}

void func(double a) {
   
	cout << "func(double a) 的调用" << endl;
}

void func(int a, double b) {
   
	cout << "func(int a, double b) 的调用" << endl;
}

void func(double a, int b) {
   
	cout << "func(double a, int b) 的调用" << endl;
}
//函数的返回值不可以作为函数重载的条件
/*//
int func(double a, int b) {
	cout << "func(double a, int b) 的调用" << endl;
	return 0;
}
*/
int main() {
   
	func();
	func(10);
	func(3.14);
	func(10, 3.14);
	func(3.14,10);

	system("pause");
	return 0;
}

3.3.2 函数重载注意事项

• 引用作为重载条件
• 函数重载碰到函数默认参数

示例：

#include
using namespace std;

//函数重载的注意事项
//引用作为重载的条件
void func(int& a) {
      //可读可写
	cout << "func(int& a) 的调用" << endl;
}

void func(const int& a) {
      //加入const只能读不能写；合法的代码
	cout << "func(const int& a) 的调用" << endl;
}

void func2(int a,int b = 10) {
      //当函数重载碰到默认参数会存在二义性，报错，尽量避免这种情况
	cout << "func(int a,int b = 10) 的调用" << endl;
}

void func2(int a) {
      //
	cout << "func(int a) 的调用" << endl;
}

int main() {
   

	int a = 10;
	func(a);
	func(10);
	//func2(10);//该行代码会报错，由于函数重载碰到默认参数会存在二义性
	func2(10, 20);//和上面注释的代码形成对比，这一行代码不存在二义性

	system("pause");
	return 0;
}

4 类和对象

C++面向对象的三大特征：封装、继承、多态

C++认为万事万物都皆为对象，对象上有其属性和行为

例如：

人可以作为对象，属性有姓名、年龄、身高、体重…，行为有走、跑、跳、吃饭、唱歌…

车也可以作为对象，属性有轮胎、方向盘、车灯…，行为有载人、放音乐、放空调…

具有相同性质的对象，我们可以抽象成为类，人属于人类，车属于车类

4.1 封装

4.1.1 封装的意义

封装是C++面向对象三大特征之一

封装的意义：

• 将属性和行为作为一个整体，表现生活中的事物
• 将属性和行为加以权限控制

封装的意义一：

​ 在设计类的时候，属性和行为写在一起，表现事物

语法：class 类名{ 访问权限: 属性 / 行为 }

示例1：设计一个圆类，求圆的周长

#include
using namespace std;

const double pi = 3.14;//圆周率

//设计一个圆类，求圆的周长
//圆求周长的公式：2*pi*半径

//class代表设计一个类，类后面紧跟着就是类的名称
class Circle {
   
	//访问权限
public:  //访问权限，公共权限
	//属性
	int m_r;//半径
	//行为：获取圆的周长，可以用一个函数
	double calculateZC() {
   
		return 2 * pi * m_r;
	}
};

int main() {
   
	//通过圆类创建具体的圆（对象）
	Circle c1;//通过类实例，创建一个对象
	c1.m_r = 10;
	cout << "圆的周长为：" << c1.calculateZC() << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

示例2：设计一个学生类，属性有姓名和学号，可以给姓名和学号赋值，可以显示学生的姓名和学号

#include
using namespace std;
#include

class Student {
   
public:  //访问权限，公共权限
	//类中的属性和行为统一称为成员
	//属性：成员属性，成员变量
	string name;//姓名
	int number;//学号
	//行为：成员函数，成员方法
	void showStudent() {
   
		cout << "学生的姓名：" << name << endl;
		cout << "学生的学号：" << number << endl;
	}

	void setStudent(string name1) {
   
		name = name1;
	}

	void setnumber() {
   
		cout << "请输入学号：" << endl;
		cin >> number;
	}
};

int main() {
   
	//创建对象
	Student s1;//通过类实例，创建一个对象
	s1.setStudent("张三");
	s1.setnumber();
	s1.showStudent();

	Student s2;//通过类实例，创建一个对象
	s2.setStudent("李四");
	s2.setnumber();
	s2.showStudent();

	system("pause");
	return 0;
}

封装的意义二：

​ 类在设计时，可以把属性和行为放在不同的权限下，加以控制

访问权限有三种：

1. public 公共权限
2. protected 保护权限
3. private 私有权限

示例：

#include
using namespace std;
#include

//访问权限：公共权限、保护权限、私有权限
class person {
   
public:  //成员类内可以访问，类外可以访问
	string name;//姓名
	//
protected:
	string car;//保护权限内容类外无法访问
private:
	int password;//私有权限内容类外无法访问
public:
	void func() {
   
		name = "张三";
		car = "拖拉机";
		password = 123456;
	}
	void output() {
     //外部无法访问可以通过内部输出来查看
		cout << "输出所有信息：" << endl;
		cout << name << endl;
		cout << car << endl;
		cout << password << endl;
	}
};

int main() {
   
	//创建对象
	person p1;

	//p1.car = "奔驰";//保护权限的内容在类外无法访问，该行密码报错
	p1.func();
	p1.name = "李四";
	p1.output();

	system("pause");
	return 0;
}

总结：

• 公共权限 public 成员 类内可以访问 类外可以访问
• 保护权限 protected 成员 类内可以访问 类外不可以访问 在继承中，儿子也可以访问父亲中的保护内容
• 私有权限 private 成员 类内可以访问 类外不可以访问 在继承中，儿子无法访问父亲中的私有内容

4.1.2 struct和class区别

在C++中struct和class唯一的区别就在于默认的访问权限不同

区别：

• struct默认权限为公共
• class默认权限为私有

#include
using namespace std;

class C1 {
   
	int m_a;//如果什么权限都不写，默认为私有权限
};

struct C2 {
   
	int m_a;//默认权限为公共权限
};

int main() {
   
	//创建对象
	C1 c1;
	//c1.m_a = 100;//无法访问，
	C2 c2;
	c2.m_a = 100; //在struct中默认的权限为公共，因此可以访问

	system("pause");
	return 0;
}

4.1.3 成员属性设置为私有

优点：

1. 将所有成员属性设置为私有，可以自己控制读写权限
2. 对于写权限，我们可以检测数据的有效性

示例：

#include
using namespace std;
#include

class Person {
    
public:
	//写姓名
	void setname(string name1) {
   
		name = name1;
	}
	//获取姓名
	string getname() {
   
		return name;
	}
	int getage() {
   
		//age = 0;
		return age;
	}
	void setlover(string lover1) {
   
		lover = lover1;
	}
	void setage(int age1) {
   
		if (age1 < 0 || age1>150) {
   
			age = 0;
			cout << "你这个老妖精！" << endl;
			return;
		}
		age = age1;
	}
private:
	string name;//设置可读可写权限
	int age;//设置只读权限
	string lover;//设置只写权限
};

int main() {
   
	Person p;
	p.setname("张三");
	cout << "姓名：" << p.getname() << endl;
	p.setage(10);
	cout << "年龄：" << p.getage() << endl;
	p.setlover("Eureka");
	system("pause");
	return 0;
}

练习案例1：设计立方体类

设计立方体类（Cube）

求出立方体的面积和体积

分别用全局函数和成员函数判断两个立方体是否相等

#include
using namespace std;
#include

class Cube {
   
private:
	int m_L;
	int m_W;
	int m_H;
public:
	//设置长
	void setL(int L) {
   
		m_L = L;
	}
	//获取长
	int getL() {
   
		return m_L;
	}
	//设置宽
	void setW(int w) {
   
		m_W = w;
	}
	//获取宽
	int