C++：类与对象（3）

创作不易，感谢三连

一、深入解析构造函数

如上图，在一般情况下，我们认为A类中的_a1和_a2只不过是声明，并没有开空间，而真正的空间开辟是在【定义】的时候，也就是我们根据这个类实例化出整个对象的时候。

在之前，我们认为实例化整个对象的时候，其实内部的空间也是由他的成员_a1和_a2去分配的，所以成员变量的空间是开出来了，然后对调用相应的构造函数去初始化成员变量。但这句话完全对吗？

如上图，我们发现如果我们在类里设置了一个const修饰的成员变量（必须在定义的时候初始化），他提示我们const修饰的成员变量并没有初始化，所以整个过程中构造函数没有被调用！！这其实就在向我们传达了一个信息：初始化过程是在进入构造函数之前完成的！！

所以构造函数的本质并不是初始化成员变量，而是给成员变量赋值！！

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。

回到我们之前增加const变量的情况，那我们想要在类里面弄一个const修饰的成员变量怎么办呢？？C11给出了方法——用缺省值初始化

但是C11是 2011年才出的，那c11之前我们是如何解决的呢？？

答案就是——初始化列表

1.2 初始化列表

首先，初始化列表是我们的祖师爷本贾尼博士为了解决在某些成员变量在定义时必须初始化的况。这个初始化列表其实发生在构造函数之前，也就是实例化整个对象时先对所有的成员都进行了初始化

使用方法：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;
};

注意事项：

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)，而在构造函数其实就是赋值，如果不是const修饰就可以无限赋值

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：

（1）引用成员变量
（2）const成员变量（刚刚有例子了）

（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
};

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。（同时可以避免有些成员变量必须在初始化列表初始化的问题）

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. 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

可以理解为声明顺序就代表初始化顺序，与你写的先后顺序无关，如上虽然我们先写a1但是会先对a2初始化，此时a1是随机值，所以a2也是随机值，然后再对a1初始化为1，得到的结果就是这样的。

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。

为什么可以这样呢？？这就跟我们之前学的强制类型转化有着密切的关联，比如double i=10；他会先创建一个临时的double类型变量，然后将10赋值给他，然后再拷贝给i。

同理上面也是一样的，d1=2023，会先实例化一个临时的date类对象，将2023赋给他，然后再调用拷贝data类的拷贝构造拷贝给d1，这就是隐性的类型转化

单参是如此，多参但是第一个参数无默认值也是如此（因为给了默认值的参数可以不传递）

但是这样的可读性不是很好，如果我们用explicit修饰构造函数，就可以禁止隐性类型转化

注意：

1、类型转化产生的临时变量具有常性。

如上图，先创建一个Date类的临时对象，但是我们的引用d2并不能成为这个临时变量的别名，因为临时变量有常性！让d2共用会造成权限放大！！

但是我们加上const修饰d2就可以解决这个问题，此时双方空间都是const修饰，权限平移是允许的，所以d2可以指向临时变量的空间

2、c98的时候只能支持单参数或者多参数但是只有第一个参数需要传的情况，可以类型转化，但是在c11后，支持多参数类型转化

二、static成员

面试题引入：实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象。

老铁们可能会想到用在全局设置一个count变量，然后在每个类的构造函数里++一次

这是因为count和std命名空间里的count冲突了，因此有两个方法：

1、认怂，给count换个名字

2、对std部分展开，只展开其中几个常用的。

这样虽然可以解决问题，但是也会有另一个问题就是这个count是一个全局变量，也就是说我有可能在写程序的时候会不小心修改它，比如说++了一下

这就很尴尬的了，所以我们希望该变量可以在构造函数里被访问到，但是不希望他在全局被访问到，，这个诉求要怎么实现呢？？如果我们在类里面去定义一个私有的count，但是每个实例化出来的对象都有一个独立的count，不会累加在一起。所以我们希望这个count是所以对象公共的，为了解决这个问题，就要介绍静态成员变量！！

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

2.2 特性

我们先实现然后再研究特性

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

因为不是单独属于某个对象，所以不能用缺省值进行初始化

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

因为无论是那个对象都没有资格去单独访问静态区的成员（但是收到了类域的限制），所以必须在类外定义

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
如果我们把静态成员设置为公有，那么由于他不仅可以通过类名访问，还可以通过任何一个类实例化出来的对象去访问。

但是这样显然是不好的，因为我们希望成员变量具有私有性！所以这边就要用到静态成员函数。

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

因为静态成员函数在静态区没有this指针，但普通的成员变量都是属于当前对象的，需要通过this指针来访问，可以这么理解，静态成员函数就是为了静态成员而生的

注：静态成员函数和静态成员一样，在公有的情况下可以通过某个对象访问，也可以直接通过类去访问

5. 静态成员也是类的成员，受public、protected、private 访问限定符的限制

2.3 典型oj题

牛客oj

思路： 利用类对象开辟数组会调用对应大小次的构造函数，创建一个类并设置两个静态成员变量，调用一次就累加一次。

class Sum
{
public:
   Sum()
   {
      _sum+=_i;
      ++_i;
   }

   static int GetSum()
   {
         return _sum;
   }
private:
   static int _i;
   static int _sum;
};
int Sum::_i=1;
int Sum::_sum=0;
class Solution {
public:
    int Sum_Solution(int n)
    {
        Sum a[n];//开辟多少个空间就调用多少个构造函数
        return Sum::GetSum();
    }
};

三、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

之前博主在类与对象（2）在日期类的实现中用到过一次友元。

C++：类与对象（2）-CSDN博客

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。
但是在类外定义的话没办法直接用类里面的私有成员，如果强行变成公有就破坏了封装性，所以这里会用到友元的知识，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;
}

注意：

1、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

2、友元函数不能用const修饰（没有this指针）

3、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

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

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。

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;
};

注意：

1、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。
2、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。

3、友元关系不能继承

四、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。

特性：

1、内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的，但是内部类会收到外部类的类域限制，比如定义在外部类的public里，则外界要通过外部类去访问内部类

如果定义在外部类的private里，则外界根本访问不到。

2、 sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。

3、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。
通过这个特性我们把之前在第二大点的oj题改进一下

class Solution {
public:
    int Sum_Solution(int n) 
    {
        Sum a[n];//根据创建数组多少次就调用多少次构造函数
        return _sum;
    }
private:
    class Sum
    {
        public:
           Sum()
           {
                _sum+=_i;
                ++_i;
           }
    };//内部类可以访问外部类的静态成员
    static int _i;
    static int _sum;
};
int Solution::_i=1;
int Solution::_sum=0;

常见的应用场景：

1、将内部类设定成外部类的私有，使其只能由外部类访问

2、内部类天生就是外部类的友元，可以访问外部类的所有成员（包括static成员）

五、匿名对象

5.1 只能使用一次的匿名对象

我们之前有研究过，无参构造不能写这个括号，因为这样编译器会区分不出这是声明还是实例化对象。

但是可以这样构造出匿名对象，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，下一行他就会自动调用析构函数

其实匿名对象就是一个一次性，即用即销毁在有些场景下我们实例化一个对象只需要用一次，以后再也用不到了，这个时候就可以使用匿名对象。

5.2 延长生命周期的匿名对象

为什么匿名对象用一次就会销毁呢？？本质来说是因为他没有名字，所以没有人能用得了他，就没有存在的意义了

但是如果我们给他起了一个别名，就有意义了，但是由于匿名对象具有常性，所以必须用const引用。

const引用会延长匿名对象的生命周期和他的别名一样，使用他的别名就是在使用他！

六、拷贝对象时的编译器优化

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、隐式转化优化

这个我们已经讲过了，对于构造函数是单参或者只有第一个参数需要传值的类来说，可以通过隐式转化（创建临时变量，拷贝1，然后拷贝构造给A——>优化成直接构造）优化

2、传值优化

因为构造和拷贝形参的过程跨越表达式了，所以不安全，编译器不会优化

2拷贝给形参相当于是A aa=2（跟隐式转化相似），也是构造+拷贝直接优化成构造

A（3）是构造了一个匿名对象，然后拷贝构造给了形参，优化成了直接构造

对比传引用

都不会优化

总结：对于传值传参来说，如果构造和拷贝构造在同一行，一般都可以被优化成直接构造，如果跨行了就没办法优化，对于传引用来说，就不涉及到优化（不存在拷贝构造，所以也就不需要优化）。

3、对象传值返回优化

在func3中创建了一个变量，在拷贝一个临时变量返回，这个过程优化成直接构造。

传返回值拷贝构造了一次，又拷贝给aa1拷贝构造了一次，最后都被优化成直接构造。

赋值并没有办法被优化。

返回一个匿名对象

构造+拷贝+拷贝优化成了构造。

4、使用建议

函数传参：

1、尽量使用const&传参

2、能用引用传参尽量引用传参（基本上都可以，这样避免了拷贝形参的损耗）

对象返回总结：

1、接受返回值对象时，尽量用拷贝构造的方式接受，不要用赋值接受。

2、函数中返回对象时，尽量返回匿名对象

3、在条件允许的情况下，用传引用返回，避免拷贝返回值带来的损耗。

七、类和对象思想的转变

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。

要慢慢学会面向过程的思维转化成面向对象，利用对象之间的交互来完成一系列动作。