C++初阶之类和对象（下）
类和对象（下）
- 1. 再谈构造函数
-
- 1.1 构造函数体赋值
- 1.2 初始化列表
- 1.3 explicit关键字
- 2. static成员
-
- 2.1 概念
- 2.2 特性
- 3. 友元
-
- 3.1 友元函数
- 3.2 友元类
- 4. 内部类
- 5.匿名对象
- 6.拷贝对象时的一些编译器优化
- 结语
1. 再谈构造函数
1.1 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。
1.2 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)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
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：
①引用成员变量
②const成员变量
③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
};
- 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，对于自定义类型成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。
class Time
{
public:
Time(int hour = 0)
:_hour(hour)
{
cout << "Time()" << endl;
}
private:
int _hour;
};
class Date
{
public:
Date(int day)
{}
private:
int _day;
Time _t;
};
int main()
{
Date d(1);
}
- 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
举个栗子
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();
}
输出结果为
因为在声明中a2更靠前，在初始化列表中先初始化a2，而a2是由a1初始化，a1此时没初始化，值为随机值，然后再初始化a1，a1初始化为1，所以依次打印出来为1，随机值。
1.3 explicit关键字
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，还具有类型转换的作用。
在C++中，explicit关键字用于修饰单参数构造函数，指示编译器在某些情况下禁止隐式调用该构造函数。它的作用是防止编译器执行隐式类型转换。
下面是explicit关键字的主要作用：
-
禁止隐式类型转换：通过在单参数构造函数前添加explicit关键字，可以防止编译器在某些情况下执行隐式的类型转换。这意味着只能通过显式地调用构造函数来创建对象，而不能依赖于隐式的类型转换。
-
防止意外的类型转换：有时候，单参数构造函数可能会导致意外的类型转换，引入潜在的bug或不明确的行为。通过使用explicit关键字，可以明确指定只能进行显式的构造调用，提高代码的可读性和安全性。
示例：
class MyInt {
public:
explicit MyInt(int value) : val(value) {}
int getValue() const {
return val;
}
private:
int val;
};
void printValue(const MyInt& obj) {
std::cout << obj.getValue() << std::endl;
}
int main() {
MyInt obj1(42); // 正确，使用显式构造调用
MyInt obj2 = 123; // 错误，禁止隐式类型转换
printValue(obj1); // 正确，传递对象的引用
printValue(456); // 错误，禁止隐式类型转换
return 0;
}
在上述示例中，MyInt类包含一个带有explicit关键字的单参数构造函数。这意味着我们只能通过显式的构造调用来创建MyInt对象，并防止了隐式的类型转换。
通过使用explicit关键字，我们可以避免一些意外的行为和错误，并在代码中更明确地指定对象的创建方式。
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)
explicit :_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构造一个无名对象，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
}
上述代码可读性不是很好，用explicit修饰构造函数，将会禁止构造函数的隐式转换。
2. static成员
2.1 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。
在C++中，static成员是类的成员，而不是对象的成员。它们与类相关联，而不是与类的每个对象相关联。static成员具有以下特点：
-
共享性：static成员在所有该类的对象之间共享。无论创建多少个类的对象，它们都共享相同的static成员。
-
存储和初始化：static成员在程序运行之前就已经存在，并在类的定义外进行初始化。它们存储在静态数据区，不占据对象的内存空间。
-
作用域和访问：static成员属于类的作用域，在类的内部和外部都可以使用类名和作用域解析运算符(::)访问它们。static成员可以在类的定义内部声明，但必须在类的定义外部进行定义和初始化。
-
可以通过类名和对象访问：可以通过类名和作用域解析运算符(::)直接访问类的static成员。也可以通过对象名和点运算符(.)来访问static成员，但这是不推荐的，因为它可能会造成混淆。
-
静态函数内部只能访问静态成员：静态成员函数（static member function）是一个属于类而不是对象的成员函数。在静态函数内部，只能访问类的static成员和其他静态成员函数，而不能访问非静态成员变量或成员函数。
静态成员可以用于实现类级别的功能，例如计数器、全局共享数据等。它们对于在类的所有对象之间共享状态和行为非常有用。
面试题：实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象。
class A
{
public:
A(){
++_scount;
}
A(const A& t){
++_scount;
}
~A(){
--_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;
}
2.2 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
【问题】
静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？
答案是不可以，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
非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？
答案是可以的，类的静态成员函数属于整个类
3. 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
3.1 友元函数
问题：现在尝试去重载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。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;
};
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;
}
- 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
3.2 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Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友类，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，在继承位置再给大家详细介绍。
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;
};
4. 内部类
在C++中，内部类是在一个类的内部定义的类。它们可以具有公有（public）、私有（private）或保护（protected）的访问权限，并可以像其他成员一样被访问和使用。
内部类可以访问外部类的私有成员，因为它们被视为外部类的成员。内部类提供了一种在类的内部组织和封装相关功能的方式。
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。
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;
}
内部类提供了一种逻辑上组织和封装相关功能的方式，并且可以访问外部类的成员，从而实现更灵活和模块化的代码结构。
5.匿名对象
匿名对象是在创建对象时没有为其提供命名的对象。它们在使用后立即销毁，因此通常用于简短的一次性操作，不需要保留对象的引用。
以下是关于匿名对象的一些特点和用法：
-
创建方式：匿名对象可以通过直接在需要的地方创建对象，并在同一行中使用对象。没有将对象赋值给变量或使用对象名来引用。
-
临时性：匿名对象是临时的，仅在创建它们的表达式的上下文中有效。一旦超出该上下文范围，匿名对象将被销毁。
-
用途：匿名对象通常用于执行简短的操作，例如调用某个对象的成员函数或访问其成员变量。它们可以简化代码，避免创建不必要的命名对象。
下面是一些使用匿名对象的示例：
class MyClass {
public:
void displayData() {
std::cout << "Displaying data..." << std::endl;
}
};
int main() {
// 示例 1: 调用成员函数
MyClass().displayData(); // 创建匿名对象并调用成员函数
// 示例 2: 访问成员变量
int value = MyClass().getData(); // 创建匿名对象并访问成员变量
// 示例 3: 作为函数参数
processObject(MyClass()); // 将匿名对象作为参数传递给函数
return 0;
}
在示例中，我们使用了匿名对象来调用MyClass类的成员函数、访问成员变量以及作为函数的参数传递。
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;
}
请注意，由于匿名对象是临时的，无法在其他地方再次使用它们。因此，如果需要保留对象的引用或状态，最好将其赋值给命名对象。
匿名对象在某些情况下可以简化代码，但需要注意不要滥用它们。过多的匿名对象可能会降低代码的可读性和维护性。
6.拷贝对象时的一些编译器优化
在C++中，编译器可能对对象的拷贝进行一些优化，以提高性能和减少不必要的开销。以下是一些常见的拷贝对象时的编译器优化技术：
-
拷贝消除（Copy Elision）：编译器可以通过消除拷贝操作来避免对象的实际拷贝。这种优化称为拷贝消除。当编译器能够确定拷贝操作是不必要的时候，它可以直接将对象的创建和初始化合并为一步，从而避免了实际的拷贝构造函数调用。这种优化常见于函数返回值的拷贝、对象传递给函数的参数等情况。
-
RVO（Return Value Optimization）：RVO是一种优化技术，它通过避免函数返回值的拷贝构造来提高性能。当函数返回一个局部对象时，编译器可以直接将该对象的构造放置在函数调用的目标位置，从而避免了拷贝构造函数的调用。
-
NRVO（Named Return Value Optimization）：NRVO是对RVO的扩展，它允许编译器优化在函数中命名的局部对象的构造。通过直接在函数内部初始化返回对象，编译器可以避免创建临时对象和执行拷贝操作。
-
移动语义（Move Semantics）：在C++11中引入了移动语义，通过移动构造函数和移动赋值运算符，它允许对象的资源（如动态内存）在不进行深层拷贝的情况下从一个对象转移到另一个对象。移动语义可以提高性能，避免不必要的拷贝操作。
-
拷贝共享（Copy-on-Write）：某些情况下，编译器可以使用拷贝共享技术，其中多个对象共享相同的数据副本，直到其中一个对象需要修改数据时才进行实际的拷贝操作。这可以节省内存和拷贝操作的开销。
需要注意的是，这些优化是由编译器自行决定实施的，不同的编译器可能具有不同的优化策略。此外，某些优化可能需要特定的编译器选项进行启用。因此，在编写代码时，应依赖于编译器进行优化，而不应依赖于特定的优化行为。
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;
}
以下是一个示例，展示了编译器对对象拷贝的优化：
#include 在上述示例中，MyClass类包含一个默认构造函数和一个拷贝构造函数。
在createObject函数中，我们创建了一个MyClass对象obj，然后将其作为返回值返回。由于编译器的优化，这里可能发生拷贝消除和RVO。即使在没有拷贝消除和RVO的情况下，返回值的拷贝构造也可能被编译器优化。
当我们在main函数中调用createObject函数并将返回的对象赋值给newObj时，如果发生了拷贝消除和RVO的优化，我们会看到输出仅显示"default Constructor called"，而不会显示"Copy Constructor called"。这表明没有实际的拷贝构造函数调用发生，对象直接在目标位置进行了构造。
请注意，优化行为可能因编译器、编译器选项和代码的具体情况而异。输出结果可能因实现而有所不同。但通过编写符合编译器优化规则的代码，可以最大程度地提高性能并减少不必要的拷贝操作。
结语
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