C++ 类与对象（下）

目录

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

 7. 再次理解类和对象

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【本节目标】

1. 再谈构造函数
2. Static成员
3. 友元
4. 内部类
5.匿名对象
6.拷贝对象时的一些编译器优化
7. 再次理解封装

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1. 再谈构造函数

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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。
 

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 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，且括号内的要与成员变量的类型相同。
 

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】
1. 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)
2. 类中包含以下成员，必须放在初始化列表位置进行初始化，不能在函数体内初识化：

• 引用成员变量 （用必须在定义的时候初始化）
• const成员变量（只能修改一次，定义时必须初识化）
• 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
};

3. 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。编译器会调用Time的默认构造函数，对自定义类型-t进行初始化，如过Tme没有默认构造，则需要手动在初识化列表给。

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);
}

4.我们建议尽量使用初始化列表，但难免也是需要与函数体内搭配使用的。

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day, int& x)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
		,_p((int*)malloc(sizeof(4) * 10))
	{
		if (_p == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
		}

		for (size_t i = 0; i < 10; i++)
		{
			_p[i] = 0;
		}
	}

private:
	// 缺省值,这里的缺省值是给初始化列表的
	int _year=1;
	int _month=1;
	int _day=1;
	int* _p=(int*)malloc(sizeof(int));
};

比如我们malloc出的空间，要检查空间是否开成功了。

5. 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();
} 

       

        输出1和随机值。先走的_a2，再走的_a1。所以再使用初识化列表的时候，初始化列表种成员变量的顺序最好是和声明时的一致，避免出错误。

         在对成员变量初始化的时候，编译器是先走初始化列表，再走函数体，走初始化列表是要调用默认构造。

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 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。

class Date
{
public:

	Date(int year)
		:_year(year)
	{}

	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;
}

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

2.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

3.隐式类型转换是支持多参数的，下面是一段示例：

class Date
{
public:

	Date(int year,int month,int day)
		:_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(2024,2,4);

	d1 = { 2024,2,5 };//书写格式
}

隐式类型转换的过程:

        传的参数会构造一个临时对象，在进行构造拷贝 -> 编译器优化了，同一个表达式连续步骤的构造，一般会被合二为一，我们看不到构造拷贝调用的现象，但是实际存在的。

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 2. static成员

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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
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;
}
int main()
{
	TestA();
}

很明显是3次，默认构造2次，拷贝构造1次。

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2.2 特性

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 静态成员也是类的成员，受public、protected、private 访问限定符的限制
【问题】
1. 静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？

静态成员函数属于类，而非静态成员函数属于类的实例。静态成员函数只能访问类的静态成员，不能访问类的非静态成员。

原因：

静态成员函数在类加载时就初始化，而非静态成员函数在创建类的实例时才初始化。因此，静态成员函数无法访问非静态成员函数，因为非静态成员函数在静态成员函数初始化时还没有被创建。

2. 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？

非静态成员函数属于类的实例，静态成员函数属于类。非静态成员函数可以通过类的实例访问类的静态成员函数。

原因：

非静态成员函数在创建类的实例时被初始化，静态成员函数在类加载时就初始化。因此，非静态成员函数可以在初始化时访问类的静态成员函数。

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 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

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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)
	{}
	
	ostream& operator<<(ostream& _cout)
	{
		_cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _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

函数的返回值类型是ostream&，表示的是一个ostream对象的引用。这个引用可以用来继续对ostream对象进行操作，比如输出更多的数据。

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)
{
	cout << "请输入年月日\n" << endl;
	_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

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 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。

我们来看这个示例：

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;
};

        在上面的Date类中，有一个Time类的成员变量_t， 在Date类中我们访问了Time类的私有，这是因为我们在Time类中声明了 Date类是友元类，所以Date类就可以任意的访问Time类中的私有的成员变量了，但此时Time是不能随便访问Date的私有的，如果要访问要单独在Date中声明，Time是Date的友元类，但互为友元的场景是很少的。

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4. 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：
        1. 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
        2. 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。
        3. sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。
来看下面这个例子：

class A
{
public:
	class B
	{
	private:
		int c;
	};

private:
	int a;
	int b;
};
int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
}

请问A的大小是多少？是12吗？

 不是，答案是8。如果A里面有一个B的对象那么A的大小就是12，这是因为嵌套类 B 的定义方式。由于 B 被声明为私有嵌套类，因此在类 A 外部无法访问它。这意味着编译器在计算类 A 的大小时不会为类 B 的成员变量 c 分配任何内存。因此， sizeof(A) 表达式计算结果为 8 个字节，这是两个 int 成员变量 a 和 b 的大小。B类只是受到A类封装的限制。

再看一个例子：

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;
}

运行结果：

        内部类是外部类的友元类，内部类可以任意的访问外部类的私有，但是外部内不是内部类的友元类。

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5.匿名对象

匿名对象的生命周期只在当前这一行。

来看下面这个示例:

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

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();

	A();
	
	return 0;
}

A（）生命周期从109行开始，出了109行生命周期结束。

比如说我们只是要调用一次这个函数：

class A
{
public:
	int func(int n)
	{
		cout << "int func(int n)" << endl;
		return n;
	}

};

int main()
{
	int a;
	cout << (a = A().func(10)) << endl;
	return 0;
}

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。

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 6.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 f3()
{
	A aa;
	return aa;
}

int main()
{
	A aa1 = 2;
	return 0;
}

来看第一个场景（隐式类型转换）：

        这个在上面是讲过的，传的参数会构造一个临时对象，在进行构造拷贝 -> 编译器优化了，同一个表达式连续步骤的构造，一般会被合二为一，我们看不到构造拷贝调用的现象，但是实际存在的。这里就只显示调用了默认构造

第二个场景（传参）：

我们将aa1传值给f1。

int main()
{
	A aa1 = 2;
	f1(aa1);
	return 0;

        这时既发生了默认构造，也发生了拷贝构造，有aa1在被定义的时候程序显示了默认构造，传值给f1的时候发生了拷贝构造。

        这时我们换一个方式传值，我们使用匿名对象传参。

int main()
{
	f1(A(1));
	return 0;
}

        这里就只发生了默认构造，拷贝构造又被隐去了，因为这里的默认构造和拷贝构造连续发生了，被编译器优化合二为一了。（构造+拷贝构造->优化为直接构造））

第三个场景（返回值）：

我们调用了f2(）,来看看结果（这是在老一点版本的VS上演示的，优化没那么好，如果编译器比较新结果可能不一样）

int main()
{
	f3();
	return 0;
}

        这里显示的调用了1次构造和1次拷贝构造，我们在传aa的时候是要将临时对象的值进行拷贝的，所以会调用拷贝构造。

再看下面这个程序:

int main()
{
    A ret = f3();
    return 0;
}

        我们发现还调用了1次构造和1次拷贝构造，但在不优化的情况下，实际上是调用了2次构造。f3将返回值给ret的时候，也发生了拷贝构造（一个表达式中，
拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造）

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 7. 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：
1. 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
2. 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
3. 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。
4. 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。