C++类和对象（万字超详细讲解！！！)
文章目录
- 前言
- 1.面向过程和面向对象区别
- 2.类的基本概念
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- 2.1 类的引入
- 2.2 类的定义
- 2.3 类成员变量的命名规则
- 2.4 类的访问限定符
- 2.5 类的封装
- 2.6 类的作用域
- 2.7 类的实例化
- 3.类对象模型
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- 3.1 如何计算类对象的大小
- 3.2 对齐规则
- 4.this指针
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- 4.1 this指针的引出
- 4.2 this指针的特性
- 4.3 C语言和C++实现Stack的对比
- 5.类的6个默认成员函数
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- 5.1 构造函数
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- 5.1.1 概念
- 5.1.2 特性
- 5.1.3 构造函数的初始化列表
- 5.2 析构函数
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- 5.2.1 概念
- 5.2.2 特性
- 5.3 拷贝构造
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- 5.3.1 概念
- 5.3.2 特征
- 5.4 运算符重载
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- 5.4.1 概念
- 5.4.2 等于运算符重载
- 5.4.3 赋值运算符重载
- 5.4.4 前置++和后置++重载
- 5.5 const成员
- 5.6 取地址及const取地址操作符重载
- 6. static成员
-
- 6.1 概念
- 6.2 特性
- 7.友元
-
- 7.1 友元函数
- 7.2 友元类
- 8.内部类
- 9.匿名对象
- 10.拷贝对象时的一些编译器优化
- 11.再次理解类和对象
- 12.总结
前言
C语言是面向过程进行编程，但是在现实生活中，都是一个一个的物体或对象来进行交互，因此C++就新加了面向对象进行编程，它更加符合现实生活中的场景。
1.面向过程和面向对象区别
C语言是面向过程的，关注的是过程，分析出求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。C++是基于面向对象的，关注的是对象，将一件事情拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成。
举个例子，比如用户点外卖，面向过程考虑的是用户点餐下单，骑手接单，骑手送餐等等一系列的过程，面向过程考虑的则是用户，骑手，商家三个对象之间的关系。
2.类的基本概念
2.1 类的引入
C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。比如：之前在数据结构的讲解中，用C语言的方式实现栈，结构体中只能定义变量；现在以C++方式实现，会发现struct中也可以定义函数（目前仅供参考，后续会具体讲解详细内容）。
typedef int DataType;
struct Stack
{
void Init(size_t capacity)
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
if (nullptr == _array)
{
perror("malloc申请空间失败");
return;
}
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
void Push(const DataType& data)
{
// 扩容
_array[_size] = data;
++_size;
}
DataType Top()
{
return _array[_size - 1];
}
void Destroy()
{
if (_array)
{
free(_array);
_array = nullptr;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
DataType* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
但是这样写与C语言写有什么区别呢？从命名使用上来看：
// C语言
void StackPush(Stack* ps, DataType x)
{
//……
}
int mian()
{
Stack st;
StackInit(&st);//初始化
StackPush(&st, 1);//入栈
//……
}
// C++
int main()
{
Stack st;
st.init(10);
st.push(1);
//……
}
从命名上来看更加简洁。因为是写在类里面的，它（函数）就是属于这个Stack类的成员函数，并不需要进行区分；而像C语言，如果同时写一个栈和队列，如果不进行名字上的区分，栈和队列的初始化函数都写成 void Init ( ) ，那么是不是就会造成函重定义呢。
上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替，也就是写成 class Stack。
2.2 类的定义
class className
{
// 类体：由成员函数和成员变量组成
}; // 一定要注意后面的分号
// 就比如上面的栈
class Stack
{
//……
};
class为定义类的关键字，ClassName为类的名字，{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号不能省略。
类体中的内容称为类的成员：类中的变量称为类的属性或成员变量; 类中的函数称为类的方法或者成员函数。
类的两种定义方式：
- 声明和定义全部放在类体中，需注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将其当成内联函数处理。
class Stack
{
public:
void init()
{
//……
}
private:
int* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
- 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::。 这样写的目的是在告诉编译器这个 init () 函数是属于 Stack 类的，此时也可以再定义一个 init() ，并不会发生命名冲突，因为一个是属于 Stack 类的内部，一个是属于全局。
// stack.h文件
class Stack
{
public:
void init();
private:
int* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
//Stack.c 文件
#include"Stack.h"
void Stack::init() // 注意多加了Stack::
{
//……
}
2.3 类成员变量的命名规则
// 我们看看这个函数，是不是很僵硬？
class Person
{
public:
void Init(char* name,int age)
{
// 这里的 name 和 age 到底是成员变量，还是函数形参？
name = name;
age = age;
}
private:
char* name;
int age;
};
class Person
{
public:
void Init(char* name,int age)
{
// 这里的 name 和 age 到底是成员变量，还是函数形参？
_name = name;
_age = age;
}
private:
char* _name;
int _age;
};
// 其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行
int main()
{
Person man;
man.init("张三",20);
//……
}
这里的 name 和 age 是外部传来的形参，_name 和 _ age 是这个成员自身的属性。就比如 main() 函数中，用类创建了一个对象，对这个对象的属性（成员变量）进行赋值，也就是创建出了一个名字叫张三，年龄为20的一个人。
2.4 类的访问限定符
C++实现封装的方式：用类将对象的属性与方法结合在一块，让对象更加完善，通过访问权限的不同，选择性的将其接口提供给外部的用户使用。选择限定符一共分为三种：public、private、protected。
【访问限定符说明】
- public修饰的成员在类外可以直接被访问
- protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的)
- 访问权限作用域从该访问限定符出现的位置开始直到下一个访问限定符出现时为止
- 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
- class的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)
注意：访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没有任何访问限定符上的区别。
2.5 类的封装
在类和对象阶段，主要是研究类的封装特性，那什么是封装呢？
封装：将数据和操作数据的方法进行有机结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口来和对象进行交互。封装本质上是一种管理，让用户更方便使用类。比如：在栈这个类中，在外部使用时是这样的：
int main()
{
Stack st;
st.init(10);
st.push(1);
//……
}
用户并不需要了解这个栈具体是怎样实现添加数据，怎么实现先进后出的功能，只需要知道如何使用就可以了，并不需要了解其中的工作原理。
2.6 类的作用域
类定义了一个新的作用域，类的所有成员都在类的作用域中。在类体外定义成员时，需要使用 :: 作用域操作符指明成员属于哪个类域。就像前文中的定义声明分离一样。
// stack.h文件
class Stack
{
public:
void init();
private:
int* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
//Stack.c 文件
#include"Stack.h"
void Stack::init() // 注意多加了Stack::
{
//……
}
2.7 类的实例化
用类类型创建对象的过程，称为类的实例化
- 类是对对象进行描述的，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没有分配实际的内存空间来存储它；比如：入学时填写的学生信息表，表格就可以看成是一个类，来描述具体学生信息。
类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。
谜语：“年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈” 谜底：山羊 - 一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象占用实际的物理空间，存储类成员变量Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的空间。
- 做个比方：类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，类就像是设计图，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间。
类只是对一个物体具有什么样的属性和功能的描述，只有进行实例化之后才会拥有实际内存。比如：我们说一个人有身高、体重、年龄等等，那么这个人存在吗？显然是不存在的，只有当对具体的人如张三的身高、体重等等进行描述，它才是真实存在。也就是说类中的成员变量只是声明，并没有进行定义，因此不占用空间。类是不占用内存空间的，它存放在文件系统中，只有实例化之后才会占用内存空间。
3.类对象模型
3.1 如何计算类对象的大小
class A
{
public:
void PrintA()
{
cout<<_a<<endl;
}
private:
char _a;
};
问题：类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？
我们发现它的大小为1，仅仅只是成员变量 _a 的大小，成员函数并不进行计算，因此我们可以得出结论：一个类的成员函数大小至于它的成员变量有关，与成员函数无关。
但是这是为什么呢？这就要从类对象的存储方式上来看了：
对于类实例化的一个对象中，实际上它只包含了成员变量，成员函数是存放在另一个公共代码区的，所以在计算它的大小时只涉及成员变量的计算。哪为什么要分开存储呢?
这是因为如果每一个对象都存储一份成员函数，是不是显的有些冗余呢？每一个对象它们只有属性上不一样，而功能都是一样的，因此保存一份成员函数就可以为每一个对象提供使用了，并不需要每一个对象都保存一份相同的代码而造成空间浪费。
就用一个小区进行类比，小区就代表一个类，而 _name、_age、_sex就代表着小区中每一户人家中的卧室、客厅、厨房等等私人的，而void init()、void Print() ，代表着小区中的健身器材，操场等等公共的。
值得注意的是：
AA明显是一个空类，为什么还会占有一个空间的大小呢？这是因为空类比较特殊，编译器需要给空类一个字节来唯一标识这个类的对象，来表明这个类的对象是存在的。
3.2 对齐规则
- 第一个成员在与结构体（类）偏移量为0的地址处。
- 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
注意：对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。
VS中默认的对齐数为8 - 结构体总大小为：最大对齐数（所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小）的整数倍。
- 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。
这个在自定义类型详解一文中有详细解释，如果忘记或者不明白可以点击这个链接进行跳转。
4.this指针
4.1 this指针的引出
先来看一个日期类：
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; // 年
int _month; // 月
int _day; // 日
};
int main()
{
Date d1, d2;
d1.Init(2022, 1, 11);
d2.Init(2022, 1, 12);
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
Date类中有 Init 与 Print 两个成员函数，函数体中没有关于不同对象的区分，那当d1调用 Init 函数时，该函数是如何知道应该设置d1对象，而不是设置d2对象呢？
C++中通过引入this指针解决该问题，即：C++编译器给每个“非静态的成员函数”增加了一个隐藏的指针参数，让该指针指向当前对象(函数运行时调用该函数的对象)，在函数体中所有“成员变量”的操作，都是通过该指针去访问。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。
这个 this 指针是对用户隐形的，但是我们也可以使用。在类对象中就是通过 this 指针来辨识是对 d1 还是 d2 进行操作。
4.2 this指针的特性
- this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
- 只能在“成员函数”的内部使用。
- this指针本质上是“成员函数”的形参，当对象调用成员函数时，将对象地址作为实参传递给this形参。所以对象中不存储this指针。
- this指针是“成员函数”第一个隐含的指针形参，一般情况由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递。
4.3 C语言和C++实现Stack的对比
在数据结构篇四：栈中可以看到Stack相关操作函数有以下共性：
- 每个函数的第一个参数都是Stack*.
- 函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL。
- 函数中都是通过Stack*参数操作栈的。
- 调用时必须传递Stack结构体变量的地址。
结构体中只能定义存放数据的结构，操作数据的方法不能放在结构体中，即数据和操作数据的方式是分离开的，而且实现上相当复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出错。
而在C++中：
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
void Init()
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
if (NULL == _array)
{
perror("malloc申请空间失败!!!");
return;
}
_capacity = 3;
_size = 0;
}void Push(DataType data)
{
CheckCapacity();
_array[_size] = data;
_size++;
}
void Pop()
{
if (Empty())
return;
_size--;
}
DataType Top() { return _array[_size - 1]; }
int Empty() { return 0 == _size; }
int Size() { return _size; }
void Destroy()
{
if (_array)
{
free(_array);
_array = NULL;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
private:
void CheckCapacity()
{
if (_size == _capacity)
{
int newcapacity = _capacity * 2;
DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
sizeof(DataType));
if (temp == NULL)
{
perror("realloc申请空间失败!!!");
return;
}
_array = temp;
_capacity = newcapacity;
}
}
private:
DataType* _array;
int _capacity;
int _size;
};
int main()
{
Stack s;
s.Init(); s.Push(1);
s.Push(2);
s.Push(3);
s.Push(4);
printf("%d\n", s.Top());
printf("%d\n", s.Size());
s.Pop();
s.Pop();
printf("%d\n", s.Top());
printf("%d\n", s.Size());
s.Destroy();
return 0;
}
C++中通过类可以将数据以及操作数据的方法进行完美结合，通过访问权限可以控制哪些方法在类外可以被调用，即封装，在使用时就像使用自己的成员一样，更符合人类对一件事物的认知。而且每个方法不需要传递Stack的参数了，编译器编译之后该参数会自动还原，即C++中 Stack 参数是编译器维护的，C语言中需用用户自己维护。
5.类的6个默认成员函数
如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成以下6个默认成员函数。默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。
5.1 构造函数
5.1.1 概念
class Date
{
public:
//初始化函数
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;
//需要自己调用这个函数才能进行初始化
d1.Init(2022, 1, 11);
d1.Print();
return 0;
}
对于Date类，可以通过 Init 公有方法给对象设置日期，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？
构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同，创建类类型对象时由编译器自动调用，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。
5.1.2 特性
构造函数是特殊的成员函数，需要注意的是，构造函数虽然名称叫构造，但是构造函数的主要任务并不是开空间创建对象，而是初始化对象。
其特征如下：
- 函数名与类名相同。
- 无返回值。
- 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。
- 构造函数可以重载。
class Date
{
public:
//初始化函数
//void Init(int year, int month, int day)
//{
// _year = year;
// _month = month;
// _day = day;
//}
// 1.无参构造函数
Date()
{}
// 2.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();
}
有了构造函数的存在，就不需要用户调用初始化函数了，在创建对象变量时就可以直接进行赋值了。
- 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生成。
class Date
{
public:
/*
// 如果用户显式定义了构造函数，编译器将不再生成
Date(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()
{
// 将Date类中构造函数屏蔽后，代码可以通过编译，因为编译器生成了一个无参的默认构造函数
// 将Date类中构造函数放开，代码编译失败，因为一旦显式定义任何构造函数，编译器将不再生成
// 无参构造函数，放开后报错：error C2512: “Date”: 没有合适的默认构造函数可用
Date d1;
d1.Print();
return 0;
}
因为编译器生成的是无参的默认构造函数，所以打印出来的是随机数。
而当自己显式定义了构造函数时，编译器就不会自动生成无参的默认构造函数。但是由于自己写的是带参的构造函数，因此对于 Date d1 这个无参对象是无法进行初始化的，所以会报错。
- 关于编译器生成的默认成员函数，很多人会有疑惑：不实现构造函数的情况下，编译器会生成默认的构造函数。但是看起来默认构造函数又没什么用？d对象调用了编译器生成的默认构造函数，但是d对象_year/_month/_day，依旧是随机值。也就说在这里编译器生成的默认构造函数并没有什么用？？
解答：C++把类型分成内置类型(基本类型)和自定义类型。内置类型就是语言提供的数据类型，如：int/char…，自定义类型就是我们使用 class/struct/union 等自己定义的类型，看看下面的程序，就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。
我们会发现我们只是定义的一个对象变量 d，而在成员变量中也只是添加了一个 Time 的一个自定义类型成员，但是运行出来后会发现 d 这个对象生成的默认构造函数，自动调用了它的自定义类型成员的构造函数 （注意：此处只是证明编译器默认生成的构造函数会对自定义类型调用它的构造函数，而不是如果Time这个类如果也没有显式的构造函数会怎么样） 。大家可以考虑一下如果编译器不会自动生成和自动调用默认构造函数，这里的自定义类型需要怎么处理？
大家可能会非常奇怪，为什么会这么设计？为什么只对自定义类型进行初始化，而对内置类型不做处理，这其实是当时设计C++语法时的一个漏洞，因此在C++11 中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。
- 无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个 。注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。当同时有两个构造函数时会报错。
5.1.3 构造函数的初始化列表
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。
因此就得引入初始化列表。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
（2）const成员变量
（3）自定义类型成员(且该类没有默认构造函数时)
因为这几个都是要求在创建时就必须进行初始化。
- 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。因为在构造函数中，会先运行初始化列表，再进行括号里的内容。
- 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。
- 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。
此时是编译成功，如果加上explicit，就会编译失败。
这个主要是为了避免可读性变差的问题，用explicit修饰构造函数，将会禁止构造函数的隐式转换。
5.2 析构函数
5.2.1 概念
通过前面构造函数的学习，我们知道一个对象是怎么来的，那一个对象又是怎么没呢的？
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。
5.2.2 特性
析构函数是特殊的成员函数，其特征如下：
- 析构函数名是在类名前加上字符 ~。
- 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，系统会自动生成默认的析构函数。注意：析构函数不能重载
- 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数。
class Date
{
public:
//构造函数
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
//析构函数
~Date()
{
_year = 0;
_month = 0;
_day = 0;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
- 关于编译器自动生成的析构函数，是否会完成一些事情呢？下面的程序我们会看到，编译器生成的默认析构函数，对自定类型成员调用它的析构函数。
int main()
{
Date d1;
return 0;
}
class Time
{
public:
~Time()
{
cout << "~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 d;
return 0;
}
程序运行结束后输出：~Time()，在main方法中根本没有直接创建Time类的对象，为什么最后会调用Time类的析构函数？因为：main函数中创建了Date对象d，而d中包含4个成员变量，其中_year, _month, _day三个是内置类型成员，销毁时不需要资源清理，最后系统直接将其内存回收即可；而_t是Time类对象，所以在d销毁时，要将其内部包含的Time类的_t对象销毁，所以要调用Time类的析构函数。但是：main函数中不能直接调用Time类的析构函数，实际要释放的是Date类对象，所以编译器会调用Date类的析构函数，而Date没有显式提供，则编译器会给Date类生成一个默认的析构函数，目的是在其内部调用Time类的析构函数，即当Date对象销毁时，要保证其内部每个自定义对象都可以正确销毁，main函数中并没有直接调用Time类析构函数，而是显式调用编译器为Date类生成的默认析构函数。
注意：创建哪个类的对象则调用该类的析构函数，销毁那个类的对象则调用该类的析构函数。
- 如果类中没有申请资源时，析构函数不写也可以，直接使用编译器生成的默认析构函数，比如Date类（没有进行动态开辟空间）；有资源申请时，一定要写，否则会造成资源泄漏，比如Stack类（动态开辟了空间，不释放会造成内存泄漏）。
5.3 拷贝构造
5.3.1 概念
拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。
5.3.2 特征
拷贝构造函数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。
- 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，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。
- 若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数是按照对象内存存储的字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝 。注意：在编译器生成的默认拷贝构造函数中，内置类型是按照字节方式直接拷贝的，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已经可以完成字节序的值拷贝了，还需要自己显式实现吗？当然像日期类这样的类是没必要的。那么下面的类呢？
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;
}
我们会发现运行时会报错，这是为什么呢？
通过调试我们可以发现s1和s2的地址是一样的，这就是前面我们所说的浅拷贝，它是通过按照内存存储的字节序完成的，就相当于将s1的地址一个字节一个字节拷贝过来的，因此它们两个的地址是一样的，那么就相当于有两个对象指向了同一块地址空间，那么在main函数结束时会自动调用析构函数进行释放空间，s2释放了一次这个地址空间，s1再次进行释放，一块空间被多次释放当然会出错。
通过这个例子我们确实发现析构函数是被调用了两次，因为这个没有包含动态开辟的空间，因此不会报错。注意：类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数是否写都可以；一旦涉及到资源申请时，则拷贝构造函数是一定要写的，否则就是浅拷贝。
- 拷贝构造函数典型调用场景：使用已存在对象创建新对象、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;
}
在这些场景中都会发生拷贝构造，前两个应该不难理解，那么第三个返回值需要有些细节需要讲解一下。
但是编译器会进行优化，将此处的两次拷贝构造优化为一次拷贝构造。想要进行验证可以以临时变量具有常性这一特点来进行验证。
我们会发现无法进行引用，这就是因为临时变量具有常性，也就是具有const的特性，只可读不可写。当用非const变量引用const变量就是一种权限的放大，本来就是可读不可写，难道给它取个别名就可以修改了吗？显然是不符合实际的，所以只能用const变量来引用const变量。
当我们加上const后，就发现可以引用了，这就间接证明了临时变量的存在，所以我们知道当进行传值返回时时发生了两次拷贝构造，只不过是编译器进行了优化。
为了提高程序效率，一般对象传参时，尽量使用引用类型，返回时根据实际场景，能用引用尽量使用引用。
5.4 运算符重载
5.4.1 概念
我们首先要知道的是为什么要有运算符重载，这是因为我们通常使用的>、<、>=、 ++等运算符都是库里面的，它针对的仅仅只是内置类型，也就是int、double等等，那么在类和对象中，我们使用的都是自定义类型，因此是无法进行运算的。那就来看看在类和对象中是如何解决的吧！！
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，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。
函数名字为：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。这个经常在笔试选择题中出现。
5.4.2 等于运算符重载
举个应用场景，当我们需要比较两个日期类的大小时可以直接用 == 进行比较吗？答案是不行的，因为它并不支持自定义类型进行运算，那么该如何比较呢？我们来看一段代码：
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
// 这里需要注意的是，左操作数是this，指向调用函数的对象
//等价于：bool operator==(Date* this, const Date& d2)
bool operator==(const Date& d2)
{
return _year == d2._year
&& _month == d2._month
&& _day == d2._day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
void Test()
{
Date d1(2018, 9, 26);
Date d2(2018, 9, 27);
cout << (d1 == d2) << endl;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
上面 bool operator==(const Date& d2) 这个函数就是对等号进行了重载，效果就是可以让两个日期类可以直接进行比较。实际上它只是一个成员函数，d1 == d2实际上就是转化为了 d1.operator==(d2)，也就是d1调用了它的成员函数。
5.4.3 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
前面的不难理解，我们来对最后一点进行详细讲解，为什么返回*this就能进行连续赋值。我们来看代码：
int main()
{
Date d1(2023, 11, 2);
Date d2;
Date d3;
d3 = d2 = d1;
//d3.operator=(d2.operator=(d1));
d2.Print();
d3.Print();
return 0;
}
d3 = d2 = d1转化为函数调用就是d3.operator=(d2.operator=(d1))；我们一部分一部分来看，先看d2 = d1，也就是d2.operator=(d1)，这是没问题的，有没有返回* this都可以使用，但是我们来看整体（ 此处用val来代替d2.operator=(d1) ），如果没有返回值，对于d3来说就是d3.operator=()，里面是没有形参的，因为d2.operator=(d1) 并没有返回值，所以d3是无法进行赋值的。
但要是进行返回*this，也就意味着d3.operator=(val)这个函数调用此时是有形参的，是可以对d3进行赋值的，因此只有返回 *this才可以进行连续赋值。
- 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，否则是报错。
原因：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。
既然编译器生成的默认赋值运算符重载函数已经可以完成字节序的值拷贝了，还需要自己实现吗？当然像日期类这样的类是没必要的。那么下面的类呢？验证一下试试？
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;
s2 = s1;
return 0;
}
我们会发现程序崩溃了，这是因为栈是动态开辟的空间，将s1赋值给s2是用默认生成的赋值运算符函数进行赋值，是一个字节一个字节进行拷贝的，也就是将s1开辟的空间地址也拷贝给了s2，那么s1和s2的地址就是一样的了，而在程序结束的时候s1和s2都需要进行释放，因为它们的空间指向是一样的，也就是会对同一块空间释放两次，因此会程序崩溃，这与拷贝构造中的浅拷贝问题是一样的。
因此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。
5.4.4 前置++和后置++重载
前置++和后置++都是一元运算符，为了让前置++与后置++形成能正确重载，C++规定：后置++重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递，编译器自动传递。
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
// 前置++：返回+1之后的结果
//后置++是先使用后+1，因此需要返回+1之前的旧值，故需在实现时需要先将this保存一份，然后给this + 1，
Date& operator++()
{
_day += 1;
return *this;
}
// 后置++：
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;
}
注意：this指向的对象函数结束后不会销毁，故以引用方式返回提高效率。而后置++中的temp是临时对象，因此只能以值的方式返回，不能返回引用，因此前置++是引用返回，后置++是传值返回。
5.5 const成员
用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。因为this指针不需要我们进行显示传值，因此由两种修饰方式：
请思考下面的几个问题：
- const对象可以调用非const成员函数吗？
- 非const对象可以调用const成员函数吗？
- const成员函数内可以调用其它的非const成员函数吗？
- 非const成员函数内可以调用其它的const成员函数吗？
const与非const成员的区别只是它们的权限不同，const是只可读，非const是可读可写。而在权限这里是只可缩小，不可放大的。形象来说就是我是非const，我可读可写，而const只可读，我非const的权限包含const的权限，因此我非const可以调用const。反过来说，const成员只有可读没有可写，而非const可读可写，const无法包含非const，所以const无法调用非const。
5.6 取地址及const取地址操作符重载
这两个默认成员函数一般不用重新定义 ，编译器默认会生成。
class Date
{
public:
Date* operator&()
{
return this;
}
const Date* operator&()const
{
return this;
}
private:
int _year; // 年
int _month; // 月
int _day; // 日
};
这两个运算符一般不需要重载，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需要重载，比如不想别人取到该对象的地址。
Date* operator&()
{
return nullptr;
}
const Date* operator&()const
{
return nullptr;
}
6. static成员
6.1 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，静态成员函数可以直接用类名访问。
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;
};
//静态成员变量初始化
int A::_scount = 0;
void TestA()
{
cout << A::GetACount() << endl;
A a1, a2;
A a3(a1);
cout << A::GetACount() << endl;
}
6.2 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？
- 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？
静态成员函数是可以调用非静态成员函数的，而非静态成员函数是不能调用类的静态成员函数的。
7.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。
7.1 友元函数
问题：现在尝试去重载operator<<，然后发现没办法将operator<<重载为成员函数。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;
};
如果放在类中定义的话，由于this指针是第一个参数， 当一个对象调用重载的operator<<（）函数时就变成了：d1.operator<<(&d1, cout) —> d1 << cout ，这与我们通常使用的 cout << d1不相符，而为了解决这个参数问题，就需要将它放到类外面定义，在类外面参数的位置就可以任由我们进行安排了。
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;
}
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。
ostream是库函数中输出流，cout就是ostream的对象，cin是istream是输入流。注意：引用返回的作用是进行连续输出，与赋值运算符中的可以进行连续赋值的原因是一样的。进行引用传参的作用是可以省去实参拷贝形参的消耗。
特性：
- 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。
7.2 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;
};
一般来说一个类的私有成员是不能在这个类外面被访问的，但是友元类可以打破这种限制，就比如：Time在类中声明Date是我的好哥们（也就是声明Date是Time的友元类），我的对象它可以随便访问，因此在Date中就可以通过Time的对象进行访问它的私有成员。
8.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。
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;
}
9.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();
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;
}
在上面的代码中，如果想要调用Sum_Solution()这个函数，我们一般是这么写的，先定义一个对象，再进行调用：
Solution s;
s.Sum_Solution(10);
我们创建s这个对象的作用就是为了调用Sum_Solution()这个函数，那么为了方便可以直接用匿名对象来调用。
Solution().Sum_Solution(10);
10.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;
}
11.再次理解类和对象
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。
12.总结
关于类和对象这一部分，我觉的是C++中的最重要的一部分内容，细节较多，难度也比较大，学起来有些吃力，需要不断的进行反思、复习与巩固，希望能与大家共同进步。
如果大家发现有什么错误的地方，可以私信或者评论区指出喔（虚心请教，希望得到大佬帮助）。我会继续深入学习C++，希望能与大家共同进步，那么本期就到此结束，让我们下期再见！！觉得不错可以点个赞以示鼓励！！