C++类与对象(7)—友元、内部类、匿名对象、拷贝对象时编译器优化

一、友元

1、定义

2、友元函数

3、友元类

二、内部类

1、定义

2、特性：

三、匿名对象

四、拷贝对象时的一些编译器优化

1、传值&传引用返回优化对比

2、匿名对象作为函数返回对象

3、接收返回值方式对比

总结：

一、友元

1、定义

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

2、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，使用形式发生变化。

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	// d1 << cout; 或者 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;
};

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。

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、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。

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
		_time._hour = hour;
		_time._minute = minute;
		_time._second = second;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
    Time _time;
}

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。

二、内部类

1、定义

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：内部类就是外类部的友元类，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。

2、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。

我们先来看一下 ”sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系“ 在代码中怎么体现的。

class A{
private:
	int h;
public:
	class B{
	private:
		int b;
	};
};

int main()
{
	A aa;
	cout << sizeof(aa) << endl;
	return 0;
}

输出结果显示，类A的对象对象只有一个int成员的大小。

在调试中也可以看到类对象aa只有一个成员变量h。

内部类B跟A是独立，只是受A的类域限制。

可以通过下面代码访问到B类

A::B bb;

如果B类的作用域变为私有，则不能访问到。

B天生就是A的友元。

class A{
private:
	int h = 0;
	static int k;
public:
	class B
	{
	public:
		void Print(const A& a)
		{
			cout << k << endl;// >> OK
			cout << a.h << endl;// >> OK
		}
	};
};
int A::k = 1;

int main()
{
	A aa;
	A::B bb;
	bb.Print(aa);
	return 0;
}

通过B类成功访问A类的静态成员变量k和整型成员变量h。

这时我们就可以对使用static成员的这道题使用内部类进行修改。

求1+2+3+...+n_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

class Solution {
    class Sum {
      public:
        Sum() {
            _sum += _i;
            _i++;
        }
    };
  private:
    static int _sum;
    static int _i;
  public:
    int Sum_Solution(int n) {
        Sum a[n];
        return _sum;
    }
};
int Solution::_sum = 0;
int Solution::_i = 1;

三、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。
	Solution().Sum_Solution(10);

	return 0;
}

这样定义类对象可以吗？

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。

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。

A();

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

匿名对象在这样场景下就很好用。

Solution().Sum_Solution(10);

四、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。

1、传值&传引用返回优化对比

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 func1(A aa)
{

}

void func2(const A& aa)
{

}

int main()
{
	A aa1 = 1; // 构造+拷贝构造 -》 优化为直接构造
	func1(aa1); // 无优化，不能跨表达式优化

	func1(2); // 构造+拷贝构造 -》 优化为直接构造
	func1(A(3)); // 构造+拷贝构造 -》 优化为直接构造

	cout << "----------------------------------" << endl;

	func2(aa1);  // 无优化
	func2(2);    // 无优化
	func2(A(3)); // 无优化


	return 0;
}

我们看一下main函数中的代码：

A aa1 = 1; 这里首先调用构造函数创建一个临时对象，然后调用拷贝构造函数将临时对象的内容复制到aa1。但是，编译器通常会进行优化，直接调用构造函数创建aa1，避免了不必要的拷贝构造。
func1(aa1); 这里调用函数func1，参数是aa1的拷贝，所以会调用拷贝构造函数。这个过程没有优化。函数func1会调用析构函数清理临时变量aa。
func1(2); 和 func1(A(3)); 这两行代码都是先构造一个临时对象，然后调用拷贝构造函数将临时对象的内容复制到函数参数。但是，编译器会进行优化，直接将临时对象作为函数参数，避免了不必要的拷贝构造。

然后是func2的调用：

func2(aa1); func2(2); 和 func2(A(3)); 这三行代码都是将一个对象的引用作为函数参数，所以不需要调用拷贝构造函数，也就没有优化的空间。

func2(aa1)引用传值，不需要构造和析构。
func2(2)构造一个临时对象，然后拷贝构造给aa。

func2(A(3))中 A(3) 创建了一个临时对象，调用了构造函数 A(int a = 0)，并输出 "A(int a)"。
- 这是因为在函数调用 func2(A(3)); 中，临时对象被创建，即 A(3)。const A& aa 表示将这个临时对象通过常引用传递给 func2 函数。在这里，没有发生拷贝构造，因为是通过引用传递的。
- 所以在 func2 函数内部，没有额外的构造或拷贝构造的调用。当 func2 函数执行完毕，临时对象开始析构。这时调用了析构函数 ~A()，并输出 "~A()"。这是因为在函数调用结束后，局部变量（包括通过临时对象构造的 aa）会被销毁。
- 最后，整个程序执行结束，全局的 A(3) 对象也会被销毁，调用析构函数 ~A()。因此，总共有两次析构调用。一次是在 func2 函数内部的临时对象销毁，另一次是全局的 A(3) 对象销毁。

2、匿名对象作为函数返回对象

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;
};

A func3()
{
	A aa;
	return aa;
}
A func4()
{
	return A();//匿名对象
}

int main()
{
	func3();// 构造+拷贝构造
	A aa1 = func3();//构造+两个拷贝构造>>>优化为构造+一个拷贝构造

	func4(); // 构造+拷贝构造 -- 优化为构造
	A aa3 = func4(); // 构造+拷贝构造+拷贝构造  -- 优化为构造

	return 0;
}

通过对比，可以发现使用匿名对象在func4()中的好处。

在函数 func4() 中，return A(); 创建了一个匿名对象，并且该匿名对象直接作为函数的返回值。这样，调用 func4() 将得到这个匿名对象的拷贝，而不需要额外的临时对象。因此，在 func4() 的调用中，可以直接构造并返回这个匿名对象，避免了多余的对象的创建和拷贝构造。

3、接收返回值方式对比

A func3()
{
	A aa;
	return aa;
}

int main()
{
	A aa1 = func3(); // 拷贝构造+拷贝构造  -- 优化为一个拷贝构造

	cout << "****" << endl;

	A aa2;
	aa2 = func3();  // 声明和定义不在一行，不能优化

	return 0;
}