【C++初阶（七）】类和对象（下）

本专栏内容为：C++学习专栏，分为初阶和进阶两部分。通过本专栏的深入学习，你可以了解并掌握C++。

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C++初阶（七）

再谈构造函数
- 构造函数体赋值
- 初始化列表
explicit关键字
static成员
C++11中成员初始化的新玩法
友元
- 友元函数
- 友元类：
内部类
- 概念
- 特性
再次理解封装
再次理解面向对象

再谈构造函数

构造函数体赋值

在创建对象时，编译器会通过调用构造函数，给对象中的各个成员变量一个合适的初始值：

class Date
{
public:
	// 构造函数
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

需要注意的是：虽然通过调用上述的构造函数后，对象中的每个成员变量都有了一个初始值，但是构造函数中的语句只能将其称作为赋初值，而不能称作为初始化。因为初始化只能初始化一次，而构造函数体内可以进行多次赋值。

class Date
{
public:
	// 构造函数
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;// 第一次赋值
		_year = 2022;// 第二次赋值
		//...
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

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:
	// 构造函数
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

注意事项：
一、每个成员变量在初始化列表中只能出现一次
因为初始化只能进行一次，所以同一个成员变量在初始化列表中不能多次出现。
二、类中包含以下成员，必须放在初始化列表进行初始化：
1.引用成员变量
引用类型的变量在定义时就必须给其一个初始值，所以引用成员变量必须使用初始化列表对其进行初始化。

	int a = 10;
	int& b = a;// 创建时就初始化

2.const成员变量
被const修饰的变量也必须在定义时就给其一个初始值，也必须使用初始化列表进行初始化。

	const int a = 10;//correct 创建时就初始化
	const int b;//error 创建时未初始化

3.自定义类型成员（该类没有默认构造函数）
若一个类没有默认构造函数，那么我们在实例化该类对象时就需要传参对其进行初始化，所以实例化没有默认构造函数的类对象时必须使用初始化列表对其进行初始化。
在这里再声明一下，默认构造函数是指不用传参就可以调用的构造函数：
1.我们不写，编译器自动生成的构造函数。
2.无参的构造函数。
3.全缺省的构造函数。

class A //该类没有默认构造函数 
{
public:
	A(int val) //注：这个不叫默认构造函数（需要传参调用）
	{
		_val = val;
	}
private:
	int _val;
};

class B
{
public:
	B()
		:_a(2021) //必须使用初始化列表对其进行初始化
	{}
private:
	A _a; //自定义类型成员（该类没有默认构造函数）
};

总结一下：在定义时就必须进行初始化的变量类型，就必须放在初始化列表进行初始化。
三、尽量使用初始化列表初始化
因为初始化列表实际上就是当你实例化一个对象时，该对象的成员变量定义的地方，所以无论你是否使用初始化列表，都会走这么一个过程（成员变量需要定义出来）。
严格来说：
1.对于内置类型，使用初始化列表和在构造函数体内进行初始化实际上是没有差别的，其差别就类似于如下代码：

// 使用初始化列表
int a = 10
// 在构造函数体内初始化（不使用初始化列表）
int a;
a = 10;

2.对于自定义类型，使用初始化列表可以提高代码的效率

class Time
{
public:
	Time(int hour = 0)
	{
		_hour = hour;
	}
private:
	int _hour;
};
class Test
{
public:
	// 使用初始化列表
	Test(int hour)
		:_t(12)// 调用一次Time类的构造函数
	{}
private:
	Time _t;
};

对于以上代码，当我们要实例化一个Test类的对象时，我们使用了初始化列表，在实例化过程中只调用了一次Time类的构造函数。
我们若是想在不使用初始化列表的情况下，达到我们想要的效果，就不得不这样写了：

class Time
{
public:
	Time(int hour = 0)
	{
		_hour = hour;
	}
private:
	int _hour;
};
class Test
{
public:
	// 在构造函数体内初始化（不使用初始化列表）
	Test(int hour)
	{ //初始化列表调用一次Time类的构造函数（不使用初始化列表但也会走这个过程）
		Time t(hour);// 调用一次Time类的构造函数
		_t = t;// 调用一次Time类的赋值运算符重载函数
	}
private:
	Time _t;
};、

这时，当我们要实例化一个Test类的对象时，在实例化过程中会先在初始化列表时调用一次Time类的构造函数，然后在实例化t对象时调用一次Time类的构造函数，最后还需要调用了一次Time类的赋值运算符重载函数，效率就降下来了。
四、成员变量在类中声明的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顺序无关
举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int i = 0;
class Test
{
public:
	Test()
		:_b(i++)
		,_a(i++)
	{}
	void Print()
	{
		cout << "_a:" << _a << endl;
		cout << "_b:" << _b << endl;
	}
private:
	int _a;
	int _b;
};
int main()
{
	Test test;
	test.Print(); //打印结果test._a为0，test._b为1
	return 0;
}

代码中，Test类构造函数的初始化列表中成员变量_b先初始化，成员变量_a后初始化，按道理打印结果test._a为1，test._b为0，但是初始化列表的初始化顺序是成员变量在类中声明次序，所以最终test._a为0，test._b为1。

explicit关键字

构造函数不仅可以构造和初始化对象，对于单个参数的构造函数，还支持隐式类型转换。

#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
	Date(int year = 0) //单个参数的构造函数
		:_year(year)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _year << endl;
	}
private:
	int _year;
};
int main()
{
	Date d1 = 2021; //支持该操作
	d1.Print();
	return 0;
}

在语法上，代码中Date d1 = 2021等价于以下两句代码：

Date tmp(2021); //先构造
Date d1(tmp); //再拷贝构造

所以在早期的编译器中，当编译器遇到Date d1 = 2021这句代码时，会先构造一个临时对象，再用临时对象拷贝构造d1；但是现在的编译器已经做了优化，当遇到Date d1 = 2021这句代码时，会按照Date d1(2021)这句代码处理，这就叫做隐式类型转换。

实际上，我们早就接触了隐式类型转换，只是我们不知道而已，以下代码也叫隐式类型转换：

int a = 10;
double b = a; //隐式类型转换

在这个过程中，编译器会先构建一个double类型的临时变量接收a的值，然后再将该临时变量的值赋值给b。这就是为什么函数可以返回局部变量的值，因为当函数被销毁后，虽然作为返回值的变量也被销毁了，但是隐式类型转换过程中所产生的临时变量并没有被销毁，所以该值仍然存在。

但是，对于单参数的自定义类型来说，Date d1 = 2021这种代码的可读性不是很好，我们若是想禁止单参数构造函数的隐式转换，可以用关键字explicit来修饰构造函数。

static成员

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。

特性
一、静态成员为所以类对象所共享，不属于某个具体的对象
鉴于此，我们看看以下代码的运行结果：

#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
private:
	static int _n;
};
int main()
{
	cout << sizeof(Test) << endl;
	return 0;
}

结果计算Test类的大小为1，因为静态成员_n是存储在静态区的，属于整个类，也属于类的所有对象。所以计算类的大小或是类对象的大小时，静态成员并不计入其总大小之和。
二、静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字

class Test
{
private:
	static int _n;
};
// 静态成员变量的定义初始化
int Test::_n = 0;

注意：这里静态成员变量_n虽然是私有，但是我们在类外突破类域直接对其进行了访问。这是一个特例，不受访问限定符的限制，否则就没办法对静态成员变量进行定义和初始化了。

三、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

class Test
{
public:
	static void Fun()
	{
		cout << _a << endl; //error不能访问非静态成员
		cout << _n << endl; //correct
	}
private:
	int _a; //非静态成员
	static int _n; //静态成员
};

小贴士：含有静态成员变量的类，一般含有一个静态成员函数，用于访问静态成员变量。

四、访问静态成员变量的方法
1.当静态成员变量为公有时，有以下几种访问方式：

#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
public:
	static int _n; //公有
};
// 静态成员变量的定义初始化
int Test::_n = 0;
int main()
{
	Test test;
	cout << test._n << endl; //1.通过类对象突破类域进行访问
	cout << Test()._n << endl; //3.通过匿名对象突破类域进行访问
	cout << Test::_n << endl; //2.通过类名突破类域进行访问
	return 0;
}

2.当静态成员变量为私有时，有以下几种访问方式：

#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
public:
	static int GetN()
	{
		return _n;
	}
private:
	static int _n;
};
// 静态成员变量的定义初始化
int Test::_n = 0;
int main()
{
	Test test;
	cout << test.GetN() << endl; //1.通过对象调用成员函数进行访问
	cout << Test().GetN() << endl; //2.通过匿名对象调用成员函数进行访问
	cout << Test::GetN() << endl; //3.通过类名调用静态成员函数进行访问
	return 0;
}

五、静态成员和类的普通成员一样，也有public、private和protected这三种访问级别
所以当静态成员变量设置为private时，尽管我们突破了类域，也不能对其进行访问。

注意区分两个问题：
1、静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？
2、非静态成员函数可以调用静态成员函数吗？
问题1：不可以。因为非静态成员函数的第一个形参默认为this指针，而静态成员函数中没有this指针，故静态成员函数不可调用非静态成员函数。
问题2：可以。因为静态成员函数和非静态成员函数都在类中，在类中不受访问限定符的限制。

C++11中成员初始化的新玩法

C++11支持非静态成员变量在声明时进行初始化赋值，但是要注意这里不是初始化，这里是给声明的成员变量一个缺省值。

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _a << endl;
		cout << _p << endl;
	}
private:
	// 非静态成员变量，可以在成员声明时给缺省值。
	int _a = 10; 
	int* _p = (int*)malloc(4);
	static int _n; //静态成员变量不能给缺省值
};

初始化列表是成员变量定义初始化的地方，你若是给定了值，就用你所给的值对成员变量进行初始化，你若没有给定值，则用缺省值进行初始化，若是没有缺省值，则内置类型的成员就是随机值。

友元

友元分为友元函数和友元类。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。

友元函数

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。
对于之前实现的日期类，我们现在尝试重载operator<<，但是我们发现没办法将其重载为成员函数，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，即左操作数，但是实际使用中cout需要是第一个形参对象才能正常使用。
所以我们要将operator<<重载为全局函数，但是这样的话，又会导致类外没办法访问成员，那么这里就需要友元来解决。（operator>>同理）

我们都知道C++的<<和>>很神奇，因为它们能够自动识别输入和输出变量的类型，我们使用它们时不必像C语言一样增加数据格式的控制。实际上，这一点也不神奇，内置类型的对象能直接使用cout和cin输入输出，是因为库里面已经将它们的<<和>>重载好了，<<和>>能够自动识别类型，是因为它们之间构成了函数重载。

所以，我们若是想让<<和>>也自动识别我们的日期类，就需要我们自己写出对应的运算符重载函数。

class Date
{
	// 友元函数的声明
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
public:
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
// <<运算符重载
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day<< endl;
	return out;
}
// >>运算符重载
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}

注意：其中cout是ostream类的一个全局对象，cin是istream类的一个全局变量，<<和>>运算符的重载函数具有返回值是为了实现连续的输入和输出操作。

友元函数说明：
1、友元函数可以访问类是私有和保护成员，但不是类的成员函数。
2、友元函数不能用const修饰。
3、友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受访问限定符的限制。
4、一个函数可以是多个类的友元函数。
5、友元函数的调用与普通函数的调用原理相同。

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非公有成员。

class A
{
	// 声明B是A的友元类
	friend class B;
public:
	A(int n = 0)
		:_n(n)
	{}
private:
	int _n;
};
class B
{
public:
	void Test(A& a)
	{
		// B类可以直接访问A类中的私有成员变量
		cout << a._n << endl;
	}
};

友元类说明：
1、友元关系是单向的，不具有交换性。
例如上述代码中，B是A的友元，所以在B类中可以直接访问A类的私有成员变量，但是在A类中不能访问B类中的私有成员变量。
2、友元关系不能传递。
如果A是B的友元，B是C的友元，不能推出A是C的友元。

内部类

概念

概念：如果一个类定义在另一个类的内部，则这个类被称为内部类。

注意：
1.此时的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区调用内部类。
2、外部类对内部类没有任何优越的访问权限。
3、内部类就是外部类的友元类，即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、private以及protected这三个区域中的任一区域。
2、内部类可以直接访问外部类中的static、枚举成员，不需要外部类的对象/类名。
3、外部类的大小与内部类的大小无关。

#include <iostream>
using namespace std;
class A //外部类
{
public:
	class B //内部类
	{
	private:
		int _b;
	};
private:
	int _a;
};
int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl; //外部类的大小
	return 0;
}