C++初阶：类与对象（尾篇）

news2025/1/11 14:47:41

目录

  • 1. 构造函数与初始化列表
    • 1.1 对象的创建与构造函数的初始化
    • 1.2 初始化列表及构造函数存在的意义
    • 1.3 explicit关键字与构造函数的类型转换
  • 2. static成员变量与static成员函数
    • 2.1 static成员变量
    • 2.2 static成员函数
  • 3. 日期类流插入操作符的重载与友元
    • 3.1 友元
    • 3.2 友元函数
    • 3.3 友元类
  • 4. 内部类
  • 5. 匿名对象
  • 6. 拷贝对象时编译器可能会进行的一些优化

1. 构造函数与初始化列表

1.1 对象的创建与构造函数的初始化

  1. 在前面的学习中，我们尝试了对简单类（日期类）进行了实现，而后在使用中我们通过定义类模板然后实例化的方式，创建我们所需要的对象。
  2. 在这一过程中，编译器按照所指定的类型去相应的内存区域中申请空间，在已经创建好变量后，再调用构造函数对生成的对象进行初始化。
  3. 大多数情况下，这种初始化的方式都不会出现问题，可是当类的成员变量中有一些特定的类型比如，const修饰的变量，引用类型的变量，没有默认构造函数的自定义类型，此时，这种初始化方式就行不通了。（默认构造函数：编译器自动生成，无参数，有缺省参数）

1.2 初始化列表及构造函数存在的意义

  1. 内置类型可以在创建变量申请空间时就进行变量的初始化，而自定义类型是否也可以在创建变量的同时就进行初始化，它的初始化方式是什么，接下来，我们引出类与对象中的初始化列表。
  2. 类实例化生成对象时并不是只开辟空间，对空间中的内容不做处理，而是会调用初始化列表对开辟出的空间进行初始化。前面之所以无法对特殊类型无法进行初始化，是因为我们没有向初始化列表中添加内容。
  1. 初始化列表的定义方式：
//构造函数
class A
{
private:
	int _a;
	int _b;
	int _c
	
	//构造函数，函数体之前，语法如下：
	A(int a, int b ,int c)
	:_a(a)
	,_b(b)
	,_c(c)
	{}
}
  1. 初始化列表的调用方式：（三种必须用初始化列表进行初始化的成员变量）
//没有缺省参数
class A
{
public:
	A(int d)
	{
		_d = d;
	}

	int _d;
};

class B
{
public:
	const int _a;
	int& _b;
	A _c;

	//构造函数
	B(int b, int c)
		:_a(10)
		,_b(b)
		,_c(c)
	{
		cout << " _a = " << _a << " _b = " << _b << " _c._d = " << _c._d << endl;
	}
};

int main()
{
	int b = 20;
	int c = 30;
	B a(b, c);

	return 0
}
  1. 初始化列表初始化成员变量的顺序：
    初始化列表进行初始化的顺序是根据成员变量的声明顺序决定的
class A
{
public:
	int _b;
	int _a;
	
	//先初始化_a，再初始化_b
	A(int a = 0)
		:_a(a)
		,_b(_a)
	{}

	void Print()
	{
		cout << _a << ' ' << _b << ' ' << endl;
	}
};

int main()
{
	A a(10);
	a.Print();

	return 0;
}

执行结果：使用成员变量_a初始化成员变量_b时，_a还没有被初始化
在这里插入图片描述

  1. <1> 既然初始化列表可以进行初始化，并且初始化列表能做到构造函数无法做到的特殊类型成员的声明，那么，为什么还要有构造函数呢？
    <2> 初始化列表能做的只有初始化，无法对初始化后的变量做检查与合法性判断
class A
{
public:
	int* _a;

	A(int n)
		:_a((int*)malloc(n * sizeof(int)))
	{
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc failed");
			exit(-1);
		}
	}
};

1.3 explicit关键字与构造函数的类型转换

  1. 类的默认成员函数operator=重载，其构造函数在只有单参数或拥有缺省参数，支持用与成员变量类型相同的数据，变量直接进行赋值操作。
class Date
{
public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;

	Date(int year, int month = 1, int day = 1)
		:_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;
	}
};

int main()
{
	Date d1(2024);
	d1 = 2025;
	int year = 2026;
	d1 = year;
	
	cout << d1._year << '-' << d1._month << '-' << d1._day << endl;
	
	return 0;
}

支持上述操作的原因，是因为数据或者变量会进行类型转换构造临时对象，然后再用临时构造出的对象进行赋值操作。

  1. explicit关键字，修饰构造函数，使得这个构造函数所在的类其，实例化的对象不会发生类型转换的操作。
class Date
{
public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;

	explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}
};

2. static成员变量与static成员函数

2.1 static成员变量

  1. 静态成员变量也是类的成员之一，它不独属于某个对象，而是属于这个类，为所有实例化对象所共有，存放在静态区。
  2. 静态成员变量在类中声明，在类外定义，在类外定义时不需要加static关键字。
  3. 静态成员变量的调用方式为，对象.静态成员变量，类区域::静态成员变量
  4. 静态成员变量也受访问限定符的限制
class A
{
public:
	static int _count;

	A()
	{
		++_count;
	}

	A(const A& a)
	{
		++_count;
	}

	~A()
	{
		--_count;
	}
};

int A::_count = 0;

int main()
{
	A a1;
	cout << a1._count << endl;
	a1.~A();
	cout << A::_count << endl;

	return 0;
}

2.2 static成员函数

  1. 与静态成员变量类似，静态成员函数也是属于全体实例化对象，而不是属于某个对象。
  2. 静态成员函数的定义方式，也是类内声明类外定义。
  3. 静态成员函数没有this指针，不能调用非静态成员变量。
  4. 静态成员函数的调用方式，对象.静态成员函数，类域::静态成员函数
  5. 同样的静态成员函数也受访问限定符限制。
class A
{
//public:
	static int _count;
	static int GetCount();
public:
	//非静态成员函数可以调用静态成员函数
	void Print()
	{
		cout << (*this).GetCount() << endl;
		cout << "hello" << endl;
	}

	A()
	{
		++_count;
	}

	A(const A& a)
	{
		++_count;
	}

	~A()
	{
		--_count;
	}
};

int A::_count = 0;
int A::GetCount()
{
	//静态成员函数没有this指针
	//无法调用非静态成员函数
	return A::_count;
}

3. 日期类流插入操作符的重载与友元

  1. 当我们尝试对实现过的日期类进行流插入运算的重载时，当把它作为成员函数时，我们发现无法实现。
  2. 操作数的次序为操作符重载函数的参数从左往右，分别是操作符的第一个，第二个…操作数。
  3. 成员函数的一个参数都为隐藏的默认参数this指针，而流插入操作符的需要的第一个参数是ostream类型的变量。可是，当我们不使用成员函数的方式实现，那么函数就无法访问private访问限定符修饰的成员变量。
  1. 那么，流插入操作符的重载就无法实现吗，这里我们引入C++新的内容，友元。

3.1 友元

  1. 友元关系的实际应用分为友元类与友元函数，这是一种突破类访问限定符封装的方式，它在提供了这种功能的同时，也不可避免地增加了代码的耦合性，不建议多用。

3.2 友元函数

  1. 友元函数是普通函数，它定义在类外。而它达成友元的方式为，在类中对其进行友元声明。
  2. 友元函数可以在类中的任何地方声明，不受访问限定符影响。
  3. 友元函数的声明方式为，在普通的函数声明前加关键字friend。
  4. 一个函数可以是多个类的友元函数。
class Date
{
public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;

	Date(int year, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}

	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator>>(istream& out, const Date& d);
};

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << '-' << d._month << '-' << d._day;

	return out;
}

istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	
	return in;
}

3.3 友元类

  1. 友元类的所有成员函数都是另一个类的友元函数，可以访问另一个类的所有私有成员。
  2. 友元类关系是单向的。
  3. 友元关系不可传递，A类是B类友元，B类是C类的友元，A类不是C类的友元，不可以访问C类。
  4. 友元关系不能被继承
  5. 友元类的声明方式为，在需要被访问的类中声明其的友元类，friend + 类名。
class Time
{
public:
	Time(int hour = 0, int minute = 0, int seconds = 0)
		:_hour(hour)
		, _minute(minute)
		, _seconds(seconds)
	{}

	friend class Date;

private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _seconds;
};

class Date
{
public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Time _t;

	Date(int year, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}

	void SetTime()
	{
		_t._hour = 21;
		_t._minute = 25;
		_t._seconds = 0;

		cout << _t._hour << '/' << _t._minute << '/' << _t._seconds << endl;
	}
};

4. 内部类

  1. 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。
  2. 外部类对内部类没有访问权限。
  3. 内部类只是在外部类中声明，外部类计算大小时不包含内部。（sizeof(外部类)单纯只是外部类的大小）
  4. 内部类对外部类天生就是友元，并且可以直接访问外部类的静态成员变量与函数，无需指定类域。
  5. 内部类可以在任意访问限定符的区域声明，在private中时，无法进行内部类的调用实例化对象。
class A
{
private:
	int _a;
	static int _c;

public:
	class B
	{
	public:
		void test(A& x)
		{
			x._a = 10;
			_c = 20;

			cout << x._a << endl;
			cout << x._c << endl;
		}
	};
};

int A::_c = 0;

int main()
{
	A x;
	//內部类对象的声明
	A::B h;
	h.test(x);

	return 0;
}

5. 匿名对象

  1. 在实例化对象时，省略对象名的创建方式。
  2. 匿名对象的声明周期只有一行，紧接着下一行时，就会调用析构函数将其销毁。
class A
{
private:
	int _ a;
public:
	A(int a = 0)
	{
		cout << _a << endl;
	}

	void Print()
	{
		cout << "hello world" << endl;	
	}
};

//不支持此种调用构造函数的方式，因为无法识别其为函数的声明还是析构函数的调用
A a1();

//创建匿名对象的方式
A();

//匿名对象调用成员函数
A().Print();

6. 拷贝对象时编译器可能会进行的一些优化

  1. 在成员函数传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少不必要对象的拷贝
  2. 在同一行中，连续的构造，拷贝构造操作编译器会进行优化：（同一表达式中）
    <1> 构造 + 拷贝构造 优化为 构造
    <2> 构造 + 构造 优化为 构造
    <3> 连续的拷贝构造 优化为 直接进行拷贝构造
    （临时对象，匿名对象生命周期只有一行）
class C
{
private:
	int _c;
public:
	C(int c)
	{
		cout << "C()" << endl;
	}

	C(const C& tmp)
	{
		cout << "C(const C&)" << endl;
	}
};

void f1(C aa)
{}

C f2()
{
	C aa;

	return aa;
}

int main()
{
	//构造 + 拷贝构造，类型转换，生成临时对象
	C c1(2);
	//构造 + 拷贝构造 => 构造
	f1(C(2));
	//连续的拷贝构造 =>直接进行拷贝构造
	C c3 = f2();
	//不会优化，需要引用中间变量
	const C& c4 = 2;
	//不会优化，没有在同一表达式中
	C c5(2);
	f1(c5);
	
	return 0;
}

补充练习：（内部类，访问限定符） 在这里插入图片描述

  1. 求n!
  2. 思路：创建对应数量的对象，在构造函数中++静态成员变量，使用静态成员变量计数
class Solution 
{
private:
	static int _ret;
	static int _i;
	//将内部类定义在private下可保证不被非法访问
	class B
	{
	//默认为私有
	public:
		B()
		{
			_i++;
			_ret += _i;
		}
	};

public:
	int Sum_Solution(int n) 
	{
		//将类B设为公有，即可在外部类访问
    	B arr[n];

    	return  _ret;
	}

};

int Solution::_i = 0;
int Solution::_ret = 0;

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