【C++】类和对象终篇

news2024/9/24 17:15:29

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文章封面来自：艺术家–贤海林
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文章目录

  • 1. 前言
  • 2. 友元
    • 2.1 友元函数
    • 2.2 友元类
  • 3. 内部类
  • 4. 匿名对象
  • 5. 拷贝对象时的一些编译器优化
  • 6. 再次理解类和对象

1. 前言

在上一篇博客中提到了类和对象中的构造函数与static成员 【C++】类和对象之初始化列表与static成员，接下来一起看看类和对象中的友元。

2. 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

2.1 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)
	{}
	// 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;
};

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;
}

在这里插入图片描述
说明：

  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
  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

2.2 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。

  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，在继承位置再给大家详细介绍。

举个例子：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。

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)
	{
		_t._minute++;
	}

	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Date里面要访问Time，Date是Time的友元，但是Time是不能访问Date的。但是Time是想要访问Date的，可以在Date里面声明Time，让Date和Time互为友元。

在这里插入图片描述
是类似像在Time中有含Date类的函数，但是在这里是不能用的，因为在还没有声明Date和Time互为友元，就在Time里面用了Date。
这里事先定义和声明分离。
在这里插入图片描述

一般情况下，类的友元关系是单向的，不需要互为友元。

3. 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。

举个例子：像下面这样的代码中A有多大？

class A
{
public:
	class B
	{
	private:
		int _b1;
	};
private:
	int _a1;
	int _a2;
};



int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
为什么大小是8？
从内存的角度类不占用空间，类只是一个声明。类被编译器编译之后，只会看到类的对象和类的函数，类是不占用空间的。
这样定义只会是B这个类受A类的类域的限制。所以它里面就是它自己的成员，没有B的成员。

如果在定义一个B类对象，定义变不了，不仅仅受到类域的限制，还受到访问界定符的限制。
在这里插入图片描述
改为这样就行。
在这里插入图片描述

如果定义为私有的。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
内部类天生就是外部类的友元类
在这里插入图片描述
但外部类不能访问内部类。
在这里插入图片描述
总之：
1、内部类受到类域的限制
2、内部类天生就是外部类的友元类

4. 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 func(int n) {
		cout << "int func(int n)" << endl;

		return n;
	}
};

int main()
{
	// 有名对象
	A aa1;
	A aa2(10);
	

	// 匿名对象
	A();
	A(10);

	return 0;
}

这里就创建了4个对象：
在这里插入图片描述

C++中下面这样的被称为有名对象。
在这里插入图片描述
像下面这样的就叫做匿名对象。
在这里插入图片描述
匿名对象的特点是：生命周期只在当前一行。
与之前定义的对象不同，之前定义的对象生命周期是在当前作用域。

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。
即用即销毁
在这里插入图片描述
那么它有什么用呢？
举个例子：在OJ里面会有：

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

要调用这个函数，一般得先取个名字，再调用：
在这里插入图片描述
可以考虑用匿名对象，那么就是这样。
像有点地方就传个参，定义一个匿名对象会比较好。
匿名对象就是为了让一些地方更方便。
在这里插入图片描述

5. 拷贝对象时的一些编译器优化

这个部分了解一下就可以。

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。

编译器对于构造的一些优化：
一个是： 构造+拷贝
还有一个是：拷贝构造+拷贝构造
优化的结果就是合二为一。

来看看下面的代码：

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)
{}

void f2(const A& aa)
{}

int main()
{
	A aa1 = 2;  // 构造 + 拷贝构造 -》 直接构造
	const A& aa2 = 2;

	f1(aa1);

	f1(A(2));   // 构造 + 拷贝构造 -》 直接构造

	f2(aa1);

	return 0;
}

在这里插入图片描述
但是const A& aa2 = 2;就没有办法优化。
这里有类型转换，会产生临时变量，这里引用是临时变量。

------------------------------------------------------------------------
这里要拷贝构造：
在这里插入图片描述
如果定义一个匿名对象来传：
构造一个再拷贝构造，直接优化为直接构造
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
------------------------------------------------------------------------

如果不想让这里的拷贝构造发生，那么就传引用：
在这里插入图片描述
在之前老编译器上可能不会优化，所以并不是每个编译器都会优化，没有优化也是正常的。
在这里插入图片描述

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)
{}

void f2(const A& aa)
{}


A f3()
{
	A aa;
	return aa;	
}

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

在这里插入图片描述

正常情况下f3()是一个构造一个拷贝构造。
这里是传值返回，不会把aa作为值返回，它会拷贝构造一个再返回。

在不优化时：
在这里插入图片描述
如果优化的话，是和f3()是一样的。
在这里插入图片描述
aa直接构造ret，那么它是怎么构造的呢？
在函数f3()结束之前，用aa直接构造ret。
在函数栈帧里面，在main函数，在f3()结束之前，用aa拷贝构造，不要临时对象了，直接用aa直接构造ret，然后函数再结束。

在这里插入图片描述

A f3()
{
	A aa;
	return aa;	
}
A f4()
{
	return A();
}

int main()
{
	A ret = f4();

	return 0;
}

这里是一个构造加一个拷贝构造加一个拷贝构造。这里合三为一。
在f4没有结束之前直接去构造ret。

而这个是两个构造加赋值，没有拷贝构造
在这里插入图片描述

6. 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。

在这里插入图片描述

有问题请指出，大家一起进步！！！

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