【C++入门系列】——类和对象中篇
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⚠️本文重点：C++构造函数、构析函数、运算符重载等详解
前篇文章链接：【类和对象·上】http://t.csdnimg.cn/bTQ0Y
目录
前言
类的默认成员函数
构造函数
默认构造
全缺省和无参默认构造
析构函数
拷贝构造函数
拷贝构造函数的调用场景
运算符重载
赋值运算符重载
前置++和后置++重载
const成员
总结
前言
本章会承接上篇文章从类和对象的构造函数和运算符重载进行详细讲解。起初接触C++，会发现很多地方和C语言很相似，额外亲切。但是，我们知道C++其主要的目的就是解决其C的部分缺陷，以面向对象的方式通过接口函数进行封装调用。一个类如果一个成员都没有，也就是空类的时候难道就真的什么也没有么？那么就通过这篇文章对C++类和对象进一步了解。
类的默认成员函数
一个类在创建后，什么成员也没有也就称之为空类。
然而空类非空，类在创建后就算什么成员也不写，编译器也会自动生成以下6个默认成员函数。默认成员函数是指如果用户没有显示的实现，编译器会自动生成的成员函数。
class Date{}；//构建一个空类
那这些主要实现什么功能呢，相比较我们之前实现数据结构的部分，我们总是会忘记初始化和销毁，而C++首先自动提供默认成员函数能自动完成初始化和销毁工作。这些只是一小部分的功能体现，能维护程序的健壮性。
构造函数
构造函数是指对象在创建的时候自动完成初始化的成员函数。
对于Date类，可以通过 Init 公有方法给对象设置日期，也就是学着使用数据结构的默认初始化Init方法，但如果每次创建对象时都调用该方法设置信息，未免有点麻烦，那能否在对象创建时，就将信息设置进去呢？答案是肯定可以的。
class Date
{
public:
void Init(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print()
{
cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1;
d1.Init(2022, 7, 5);
d1.Print();
Date d2;
d2.Init(2022, 7, 6);
d2.Print();
return 0;
}C++提供了构造函数的方式，构造函数是特殊的成员函数，名字和类名相同，创建类类型对象的时候由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次。
构造函数是特殊成员函数，其有以下特性：
- 构造函数名为构造，但是实际上不是创建对象，而是初始化对象。即创建的时候提供对对象的初始化值。
- 构造函数名与类名相同（即类名是啥，构造函数名是啥）
- 构造函数无返回值（无返回类型，无返回值）
- 对象实例化时编译器自动调用对象的构造函数（编译器自动调用，省心省事）。
- 构造函数支持函数重载
class Date { public: //无参构造 Date() {}; //带参构造函数 Date(int year, int month, int day) { _year = year; _month = month; _day = day; }; private: int _year; int _month; int _day; }; void TestDate() { Date d1; // 调用无参构造函数 Date d2(2015, 1, 1); // 调用带参的构造函数 // 注意：如果通过无参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则就成了函数声明 // 以下代码的函数：声明了d3函数，该函数无参，返回一个日期类型的对象 // warning C4930: “Date d3(void)”: 未调用原型函数(是否是有意用变量定义的?) Date d3(); } int main() { TestDate(); return 0; }类创建过程中不给参数时就会调用 无参构造函数，给参数则会调用 带参构造函数
- 会在对象实例化时自动调用对象定义出来，如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再默认生成。
默认构造
可以看见，在调用默认构造后，也是随机值。那么这种默认构造函数又有何用呢？相信很多人都会有疑惑，你生成了默认构造是没错，但本质上还是随机值。那么细细来说。
无参构造函数、全缺省构造函数、自动生成的构造函数都被称为 默认构造函数。
而C++ 把类型分成内置类型（基本类型）和自定义类型。
- 内置类型就是语法已经定义好的类型：如 int / char...
- 自定义类型就是我们使用 class / struct / union / 自己定义的类型。
观察下面程序会发现，编译器生成默认的构造函数，会对自定类型成员 _t 调用的它的默认成员函数：
也就是说默认构造是有针对性的调用，对自定义类型处理，会调用它的默认构造函数（不用参数就可以调的函数）
全缺省和无参默认构造
这两种默认构造语义实际上都可以存在（构成函数重载）。观察以下代码：
#includeclass Date { public: Date() { _year = 1970; _month = 1; _day = 1; } Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1) { _year = year; _month = month; _day = day; } private: int _year; int _month; int _day; }; int main(void) { Date d1; return 0; }
error:无参构造和缺省构造在调用的时候编译器无法分别两者调用哪一个构造，会产生二义性。
而我们在对类的声明和定义过程中，要保证程序的健壮性，需要对类进行合理默认构造。接下来就看看默认构造多好用：
#include
class Date {
public:
/* 全缺省 */
Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) {
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
printf("%d-%d-%d\n", _year, _month, _day);
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main(void)
{
Date d1; // 如果不传，为给定缺省值
Date d2(2023, 10, 21);
Date d3(2022);
Date d4(2012, 4);
d1.Print();
d2.Print();
d3.Print();
d4.Print();
return 0;
} 
就说对于一个日期类来讲，默认构造能保证逻辑显示上至少不犯错，这就是默认构造的好用之处，即你不指定我默认生成的也能用。
析构函数
一个函数要生成就得销毁，生而永存不是浪费资源么。如果生物没了生老病死，试想一下又有多少资源能供花销呢。在数据结构的学习中我们发现，对于一个栈stack，使用先得初始化，使用完后要销毁。不知道多少次忘记初始化直接开入数据，又有多少次程序结束了还不调用销毁函数。初始化的问题默认构造给解决了，销毁也得来整一下吧。
析构函数：与构造函数功能相反，析构函数不是完成对对象本身的销毁，局部对象销毁工作是由编译器完成的。而对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理工作。
析构函数也是特殊的成员函数，其特征如下:
- 析构函数名是在类名前面加上 ~
class Date { ~Date() {}; }
- 无参数无返回值类型。
- 一个类只能有一个析构函数。若未显式定义，系统会生成默认的析构函数。且析构函数不能被重载。
- 对象的生命周期结束的时候，程序自动调用析构函数。
typedef int DateType;
class Stack
{
public:
Stack(size_t capacity = 3)
{
_array = (DateType*)malloc(sizeof(DateType) * capacity);
if (NULL == _array)
{
perror("malloc申请失败！");
return;
}
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
void push(DateType data)
{
_array[_size] = data;
_size++;
}
//~~~
~Stack()//构析函数
{
if (_array)
{
free(_array);
_array = NULL;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
private:
DateType* _array;
int _capacity;
int _size;
};
void TestStack()
{
Stack s;
s.push(1);
s.push(2);
}编译器自动生成析构函数，会做一些什么事情呢？仔细看下面一段代码：
class Time
{
public:
~Time()
{
cout << "~Time()" << endl;
}
private:
int _hour;
int _minute;
int _second;
};
class Date
{
private:
int _year = 1970;
int _month = 1;
int _day = 1;
Time _t;
};
int main()
{
Date d;
return 0;
}
程序运行结束后竟然输出~Time(),然而我们并没有创建Time的对象，为什么会调用Time类的析构函数呢？
main函数首先创建了Date类的对象d，d包含了四个成员变量，其中_year,_month,_day三个是内置类型成员。对于内置类型成员，销毁的时候不需要资源清理，系统直接进行内存回收即可；而_t作为Time类的对象，在d销毁的时候也就将内部的Time类的_t进行销毁，因此调用Time的析构函数。但是main函数中并不能直接调用Time类的析构函数，而是调用Date类的析构函数来释放Date的空间，而Date又没有显式的提供，因此编译器在Date内部生成了默认析构函数用来调用Time类的析构函数，因此Date类被销毁，为保证每个成员变量都被销毁。创建谁就要销毁谁，创建该类的对象就要调用该类的析构函数。
那么什么时候要自己实现析构函数，什么时候编译器就可以决定呢？
如果类中没有资源申请的时候，析构函数可以不写，直接使用编译器生成的默认析构函数；有资源申请时，一定要写，否则会造成资源泄露，比如栈类。
拷贝构造函数
对于一些数据，我们在创建的时候本身就需要对其赋值，在一些时候我，我们需要这个数据的一个拷贝。需要copy一份一模一样的数据，而类作为自定义类型，拷贝就不能简单的类似于整形赋值一样。
当我们需要创建一个一模一样的对象的时候，我们就需要拷贝构造函数。
拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类型对象的一个引用（一般用const修饰），用于对已存在的类类型对象创建新对象时候由编译器自动调用。
拷贝构造同样也是特殊的成员函数，其特征如下：
- 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式（本质都是构造，多的功能就是拷贝作用）
- 拷贝构造函数的参数只有一个 且必须是类类型对象的引用，使用传值方式会引发无限递归，出现报错。
class Date { public: Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1) { _year = year; _month = month; _day = day; } // Date(const Date& d) // 正确写法 Date(const Date d) // 错误写法：编译报错，会引发无穷递归 { _year = d._year; _month = d._month; _day = d._day; } private: int _year; int _month; int _day; }; int main() { Date d1; Date d2(d1); return 0; }
- 若未显式定义，编译器会默认生成默认的拷贝构造函数，默认的拷贝构造函数对象按照内存存储字节序完成拷贝，叫做浅拷贝或者值拷贝。
class Time { public: Time() { _hour = 1; _minute = 1; _second = 1; } Time(const Time& t) { _hour = t._hour; _minute = t._minute; _second = t._second; cout << "Time::Time(const Time&)" << endl; } private: int _hour; int _minute; int _second; }; class Date { private: // 基本类型(内置类型) int _year = 1970; int _month = 1; int _day = 1; // 自定义类型 Time _t; }; int main() { Date d1; // 用已经存在的d1拷贝构造d2，此处会调用Date类的拷贝构造函数 // 但Date类并没有显式定义拷贝构造函数，则编译器会给Date类生成一个默认的拷贝构造函数 Date d2(d1); return 0; }
Date类并没有显式的定义拷贝构造函数，但是Date类会生成一个默认的拷贝构造函数用于拷贝，此时Time类需要完成拷贝也就回去调用Time类的拷贝构造函数。
注意：在编译器生成的默认拷贝构造函数中，自定义类型按照字节序进行直接拷贝，而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的。
- 编译器生成的默认拷贝构造函数能按照字节序进行值拷贝了，还需要自己动手去实现么？像日期类这样子的当然是不需要的，而Stack这样子对资源进行申请了的就需要了。
以下代码采用编译器提供默认拷贝函数就会引发程序崩溃：
typedef int DataType; class Stack { public: Stack(size_t capacity = 10) { _array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType)); if (nullptr == _array) { perror("malloc申请空间失败"); return; } _size = 0; _capacity = capacity; } void Push(const DataType& data) { // CheckCapacity(); _array[_size] = data; _size++; } ~Stack() { if (_array) { free(_array); _array = nullptr; _capacity = 0; _size = 0; } } private: DataType* _array; size_t _size; size_t _capacity; }; int main() { Stack s1; s1.Push(1); s1.Push(2); s1.Push(3); s1.Push(4); Stack s2(s1); return 0; }
对于申请了空间的拷贝，也就是对于指针_array来说，按照字节序排序s1和s2会指向同一块内存空间，这是允许的。但是对于类来讲，需要创建且销毁，s1在类作用域结束的时候销毁会调用析构函数释放_array空间，而s2也是创建的类，在类作用域结束后也会调用析构函数，也会释放_array的空间，一块内存空间被释放多次自然就会崩溃。
注意：类中如果没有涉及资源申请的时候，拷贝构造函数是否写都可以，然而一旦涉及到资源申请的时候，拷贝构造就一定需要写，否则就是浅拷贝，可能引发程序崩溃。
拷贝构造函数的调用场景
-
使用已经存在的对象创建新对象
-
函数参数类型为类类型对象
-
函数返回值类型为类类型对象
class Date
{
public:
Date(int year, int minute, int day)
{
cout << "Date(int,int,int):" << this << endl;
}
Date(const Date& d)
{
cout << "Date(const Date& d):" << this << endl;
}
~Date()
{
cout << "~Date():" << this << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
Date Test(Date d)
{
Date temp(d);
return temp;
}
int main()
{
Date d1(2022, 1, 13);
Test(d1);
return 0;
}
可以看见，值传递过程中会反复调用构造函数，因此为了提高程序效率，能使用引用就使用引用，根据场景合理使用。
运算符重载
C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与普通的函数类似。
也就是说运算符重载是利用我们通常使用+，-等运算符具有的通俗意义取缔函数中表示加减等操作的函数名表述方式。
函数名字：关键字operator后面接需要重载的运算符符号
函数原型：返回值类型operator操作符（参数列表）
注意：
- 不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@
- 重载操作符必须有一个类类型参数
- 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不能改变其含义
- 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this
- [.*] [::] [sizeof] [?:] [.] 注意以上5个运算符不能重载。（[]括号内部运算符）
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
//private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
// 这里会发现运算符重载成全局的就需要成员变量是公有的，那么问题来了，封装性如何保证？
// 这里其实可以用我们后面学习的友元解决，或者干脆重载成成员函数。
bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
{
return d1._year == d2._year
&& d1._month == d2._month
&& d1._day == d2._day;
}
void Test()
{
Date d1(2018, 9, 26);
Date d2(2018, 9, 27);
cout << (d1 == d2) << endl;
}
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
// bool operator==(Date* this, const Date& d2)
// 这里需要注意的是，左操作数是this，指向调用函数的对象
bool operator==(const Date & d2)
{
return _year == d2._year
&& _month == d2._month
&& _day == d2._day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
赋值运算符重载
赋值运算符重载格式
参数类型：const T&，传递引用可以提高传参效率
返回值类型：T&，返回引用可以提高返回的效率，有返回值目的是为了支持连续赋值
检测是否自己给自己赋值
返回*this ：要复合连续赋值的含义
class Date { public: Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1) { _year = year; _month = month; _day = day; } Date(const Date& d) { _year = d._year; _month = d._month; _day = d._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; };
赋值运算符只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数
赋值运算符如果不显式实现，编译器会生成一个默认的。此时用户再在类外自己实现一个全局的 赋值运算符重载，就和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突了，故赋值运算符重载只能是类的成员函数。
用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝
注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值。
class Time { public: Time() { _hour = 1; _minute = 1; _second = 1; } Time& operator=(const Time& t) { if (this != &t) { _hour = t._hour; _minute = t._minute; _second = t._second; } return *this; } private: int _hour; int _minute; int _second; }; class Date { private: // 基本类型(内置类型) int _year = 1970; int _month = 1; int _day = 1; // 自定义类型 Time _t; }; int main() { Date d1; Date d2; d1 = d2; return 0; }
如果类中未涉及到资源管理，赋值运算符是否实现都可以；一旦涉及到资源管理则必须要实现。和上述的深拷贝一样，如果浅拷贝会导致销毁两次同样地址空间引发程序崩溃。同时赋值是赋值一份相同的数据，而非数据的原封不动的传递，因此也需要深拷贝。
前置++和后置++重载
前置++和后置++,首先都是对++运算符进行重载，而要实现其区别划分就要形成函数重载。函数重载的形式c++规定在后置++的重载函数参数为整形，函数使用不传递参数，编译器自动调用。
对于前置++来讲，需要返回+1以后的改变的值，因此传递引用。后置++需要传递改变前的值，而temp是临时对象，因此只能以值的方式返回，不能返回引用。
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
Date& operator++()
{
_day += 1;
return *this;
}
Date operator++(int)
{
Date temp(*this);
_day += 1;
return temp;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d;
Date d1(2022, 1, 13);
d = d1++; // d: 2022,1,13 d1:2022,1,14
d = ++d1; // d: 2022,1,15 d1:2022,1,15
return 0;
}const成员
将const修饰的“成员函数”称之为const成员函数，const修饰类成员函数，实际修饰该成员函数隐含的this 指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。
编译器首先会对调用函数进行匹配，即总是匹配接近的，const成员函数和非const成员函数能同时存在，当我们需要调用函数且在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改的时候就需要const成员函数，因此它主要的目的是保证数据访问的安全性。有修改操作就调用非const，无修改就调用const成员函数即可。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print()
{
cout << "Print()" << endl;
cout << "year:" << _year << endl;
cout << "month:" << _month << endl;
cout << "day:" << _day << endl << endl;
}
void Print() const
{
cout << "Print()const" << endl;
cout << "year:" << _year << endl;
cout << "month:" << _month << endl;
cout << "day:" << _day << endl << endl;
}
private:
int _year; // 年
int _month; // 月
int _day; // 日
};
void Test()
{
Date d1(2022, 1, 13);
d1.Print();
const Date d2(2022, 1, 13);
d2.Print();
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
使用 const成员函数的好处在于它们可以在常量对象上调用，以及在一些情况下可以提高代码的安全性和可读性。如果您有一个 const 对象，只能调用它的 const 成员函数。如果您有一个非 const 对象，可以调用任何成员函数，包括 const 成员函数。const 成员函数是C++中的一个重要概念，用于确保对象的不可变性和数据封装。
总结：
在C++中，构造函数、析构函数、运算符重载和成员函数是面向对象编程的关键概念，用于创建和操作类对象。以下是它们的要点总结：
构造函数（Constructor）：
- 构造函数是用于初始化对象的特殊成员函数。
- 构造函数的名称与类名相同，没有返回类型，可以有多个重载版本。
- 默认构造函数会在对象创建时自动调用，而自定义构造函数允许您为对象的数据成员提供初值。
- 构造函数的初始化列表用于初始化数据成员，可以提高效率。
析构函数（Destructor）：
- 析构函数是用于清理对象资源的特殊成员函数。
- 析构函数的名称与类名相同，前面有一个波浪号
~，没有参数和返回值。- 析构函数会在对象生命周期结束时自动调用，用于释放资源、关闭文件等操作。
运算符重载（Operator Overloading）：
- 运算符重载允许您为类创建自定义的运算符行为。
- 可以重载各种运算符，如
+、-、*，以及关系运算符如==、<。- 运算符重载通过成员函数或全局函数进行，具体取决于左侧或右侧操作数是对象还是内置类型。
- 重载运算符要求参数类型和返回类型都是明确定义的。
成员函数（Member Function）：
- 成员函数是类内部定义的函数，用于操作类的数据成员。
- 成员函数可以是普通成员函数，也可以是
const成员函数，用于保护对象的不可变性。- 成员函数可以访问类的私有成员，实现了封装性。
- 成员函数的参数和返回值类型可以根据需要自定义。
总的来说，构造函数和析构函数用于对象的初始化和清理，运算符重载允许您自定义对象的行为，而成员函数用于操作对象的数据成员。这些概念是C++面向对象编程的核心，有助于创建灵活且可维护的代码。
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