C++面向对象高级开发A

news2024/9/22 8:30:14

一、概述

  1. 目标:培养正规、大气的编程习惯;学习面向对象设计

    • Object Based(基于对象):以良好的方式编写C++class

      • class without pointer members【示例:Complex类】
      • class with pointer members【示例:String类】
    • Object Oriented(面向对象):学习Classes之间的关系

      • 继承(inheritance)
      • 复合(composition)
      • 委托(delegation)
  2. 推荐书籍

    《C++11 Primer》

    《The C++ Programming Language》

    《Effective C++》

    《Effective C++ Third Edition》

二、Object Based(基于对象):以良好的方式编写C++class

1.Complex类:class without pointer members

总结:设计一个好的类需要注意:

  1. 构造函数尽量使用初始化列
  2. 成员函数尽量使用常函数
  3. 函数参数的传递尽量使用【引用】,尽量使用【const】修饰
  4. 函数返回值在可以的情况下,尽量使用【引用】
  5. 成员变量尽量放到private中,函数绝大部分放到public中
#ifndef __COMPLEX__//1.Header(头文件)中的防卫声明
#define __COMPLEX__

#include<iostream>

using namespace std;

//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<布局1:前置声明(forward declarations)<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<



//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<布局2:类-声明(class declarations)<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
class complex
{
/**
 * 2.函数(构造函数或成员函数)
 * 	a. 若在class body内定义完成,便自动成为【inline】候选人
 * 	b. 成员函数都有隐藏的this指针
 */
public://3.访问级别

	/**
	 * 4.构造函数:
	 * 	a. 考虑添加使用默认实参
	 * 	b. 尽量使用初始化列(initialization list),而不使用赋值(assignments)
	 *		注意:赋值会比初始化效率差一些
	 * 	c. 构造函数可以重载
	 * 		注意:complex():re(0),im(0){} 这个构造函数和下边的构造函数重载冲突
	 * 	d. 特殊使用:把构造函数放到private中,单例模式
	 *  */
	complex(double r=0, double i=0) 
	: re(r), im(i)//初始化列表
	{}
	
	/**
	 * 5.const member function(常函数): 在函数后边加const
	 * 	常对象只能调用常函数:
	 * 		注意:不改变数据内容的都“必须”加上const
	 * 		如果没有加,在用户将complex设置为常对象(说明对象不能改变数据)时,
	 * 		但是没有将用户调用的函数设置为常函数(说明这个函数可以改变),
	 * 		这是矛盾的,编译器会报错!!!
	 * 
	 * 6.参数传递:(pass by value vs. pass by reference - to const)
	 * 	a.使用优先级:引用>指针>值(尽量使用引用,引用比指针更大气),可以提高效率
	 *	b.尽量加const:不改变参数
	 * 
	 * 7. 返回值传递:(return by value vs. return by reference - to const)
 	 * 	尽量使用引用:传递者无需知道接收者是以reference形式接收
 	 * 		例如_doapl函数:这里返回的是object(传递者),但是返回值类型是引用(接收者)
	 * 		
	*/

	double real() const {return re;}//定义
	double imag() const {return im;}

	/**
	 * 9. 操作符重载+=(成员函数、二元操作符)
	 * 		会将this隐藏掉【complex& operator+=(this,const complex&);】
	 * 		c3+=(c2=+c1):连串使用操作符时,需要考虑返回值是【引用】		
	 */
	complex& operator+=(/*this,*/const complex&);//声明
	

private:
	double re, im;

	/**
	 * 8. 友元函数:可以自由取得private成员
	 * 	注意:相同类的对象可以互相访问私有成员【相同类的各个对象互为友元】
	 */
	friend complex& _doapl(complex*, const complex&);
};


//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<布局3:类-定义(class definition)<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<


inline complex& 
_doapl(complex* ths, const complex& r)
{
	ths->re += r.re;
	ths->im += r.im;
	return *ths;
}


//<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<布局4:全局函数<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
inline double 
imag(const complex& x)
{
	return x.imag();
}

inline double 
real(const complex& x)
{
	return x.real();
}

/**
 * 9. 操作符重载+(二元操作符,非成员函数【无this】)
 * 	注意:这个重载的返回值绝不能是reference,因为返回的必定是local object;
 * 		尽量将这个重载声明为非成员函数:因为成员函数重载,可能会限制参数传递
 * 
 * 10. temp object(临时对象)--> typename();
 * 	示例:complex(real(x) + real(y), imag(x)+imag(y));
 */


inline complex
operator+ (const complex& x, const complex& y)
{
	return complex(real(x) + real(y), imag(x)+imag(y));
}

inline complex
operator+ (const complex& x, double& y)
{
	return complex(real(x) + y, imag(x)+y);
}

inline complex
operator+ (double& x, const complex& y)
{
	return complex(x + real(y), x+imag(y));
}

/**
 * 9.重载运算符+和-(正负、一元运算符、非成员函数)
 * 	注意:+重载的返回值不能使用reference,因为返回值绑定的是const类型
 * 		 -重载的返回值不能使用reference,因为返回值必定是local object
 * 
 */
inline complex
operator+(const complex& x)
{
	return x;
}

inline complex
operator-(const complex& x)
{
	return complex(-real(x), -imag(x));
}

/**
 * cout << c1 << c2;
 * 9.重载运算符<<(二元运算符只会把结果作用的运算符左侧变量)
 * 	注意:【只能是非成员函数】:因为这里的os对象不认识complex,无法使用this指针识别os对象;
 * 		参数:os对象前不能使用const修饰:因为os对象会被修改;
 * 		返回值:不能返回void:因为可能会连串使用操作符<<
 * 
 */

inline ostream&
operator<< (ostream& os, const complex& x)
{
	return os << '(' << real(x) << ',' << imag(x) << ')';
}

#endif

2.String类:class with pointer members

//String.h

#ifndef __MY_STRING_H__
#define __MY_STRING_H__

#include <string.h>
#include <iostream>

using namespace std;

class String
{
public:
    String(const char* cstr = 0);
    String(const String& str);//copy ctor-----》String s2(s1)    String s2 = s1
    String& operator=(const String& str);//copy op= --------》 s2 = s1 
    ~String();
    char* get_c_str() const{return m_data;}

private:
    char* m_data;
};

inline 
String::String(const char* cstr)
{
    if(cstr)
    {
        cout << "String::String(const char* cstr = 0)1" << endl;
        m_data = new char[strlen(cstr) + 1];
        strcpy(m_data,cstr);
    }
    else
    {//注意1:未指定初值:默认构造函数
        cout << "String::String(const char* cstr = 0)2" << endl;
        m_data = new char[1];
        *m_data = '\0';
    }
}

inline
String::String(const String& str)
{
    cout << "拷贝构造函数" << endl;
    m_data = new char[strlen(str.m_data) + 1];
    strcpy(this->m_data,str.m_data);
}

inline
String& String::operator=(const String& str)
{
    cout << "拷贝赋值函数" << endl;
    if(this == &str)//注意2:自我检测赋值(自己赋值自己):如果没有这一步,下边的delete会把自身先杀掉
        return *this;
    
    delete[] m_data;//注意3:需要先把之前的指向的内存释放掉
    m_data = new char[strlen(str.m_data) + 1];
    strcpy(this->m_data,str.m_data);
    return *this;
}

inline ostream&
operator<<(ostream& os, const String& str)
{
    return os << str.get_c_str();
}

inline
String::~String()
{
    delete[] m_data;
}

#endif // !__MY_STRING_H__

3.补充:static–静态成员变量&静态成员函数

class Account
{
public:
// 1.static的作用:将成员变量和成员函数在类中独立出去;
	static double m_rate;
	static void set_rate(const double& x){m_rate = x;}
};
// 2.静态Data必须在类外定义(这里是在分配内存,上边只是声明),可以不用赋初值;
double Account::m_rate = 8.0;

int main()
{
// 3.两种调用方式:通过class那么调用、通过Object调用
	Account::set_rate(5.0);
	
// 4.注意:通过Object调用,但是不会将对象地址当做参数this,函数体内不能使用this指针
	Account a;
	a.set_rate(7.0);
}

三、Object Oriented(面向对象):学习Classes之间的关系

1.复合(composition)表示has-a

a.什么是复合关系?

复合关系

//Adapter
template <class T>
class queue
{
	...
protected:
	deque<T> c; //底层容器
public:
	//以下都是利用c的操作函数完成的
	bool empty() const {return c.empty();}
	size_type size() const {return c.size();}
	void push(const value_type & x){c.push_back(x);}
	...
};

b.composition【复合】关系下的构造和析构(内存角度分析)

复合关系的构造和析构

构造由内向外: container的构造函数首先调用component的default构造函数,后才执行自己

Container::Container(...) : Component() {...};

【注意】如果component需要参数,用户需要自己给构造函数

析构由外到内: container的析构函数首先执行自己,然后才调用component的析构函数

Container::~Container(...) {... ~Component()};

2.委托(Deletagion)–Composition by reference(pointer)

什么是委托关系?

委托关系

// String.hpp---Handle---定义
class StringRep;
class String
{
public:
	String();
	String(const char* s);
	String(const String& s);
	String &operator= (const String& s);
	~String();
	...
private:
	StringRep* rep;//pImpl-->通过指针实现函数定义
};


// String.cpp---Body---实现"background: aliceblue"
#include "String.hpp"
namespace
{
	class StringRep
	{
	friend class String;
		StringRep(const char* s);
		~StringRep();
		int count;
		char* rep;
	};
}
String::String(){...}
...

3.继承(Inheritance)–表示is-a

a.什么是继承关系?

继承关系

struct _List_node_base
{
	_List_node_base* _M_next;
	_List_node_base* _M_prev;
};
template<typename _Tp>
struct _List_node
	: public _List_node_base	//public继承:这里只由数据的继承,父类没有函数
{
	_Tp _M_data;
}

b.Inheritance(继承)关系下的构造和析构(从内存角度分析)

继承关系下的构造和析构

构造由内到外:Derived的构造函数首先调用Base的default构造函数,然后执行自己

Derived::Derived(...) : Base() {...};

析构由外到内:Derived的析构函数首先执行自己,然后才调用Base的析构函数

【注意】base class的dtor必须是virtual,否则会出现undefined behavior

Derived::~Derived(...) {... ~Base()};


c.Inheritance(继承)with virtual functions(虚函数)

继承需要搭配虚函数才能达到强有力的效果,在继承关系中,父类中所有的东西都会被继承下来:数据被继承下来,占用了内存的一部分,函数被继承下来, 是继承了调用权(子类可以调用父类的函数)


那么父类的函数,需不需要被重新定义呢?

从这个角度,父类的函数可以分为三种:

  • non-virtual函数(非虚函数):你不希望derived class重新定义(override,复写)它;

  • virtual函数(虚函数):你希望derived class重新定义(override)它,且你对它已有默认定义;

  • pure virtual函数(纯虚函数):你希望derived class一定要重新定义(override)它,你对它没有默认定义;(注:其实纯虚函数可以由定义)


形状(shape):世界上并没有叫形状的形状,只有椭圆等;形状是一个抽象的概念,那么可以在这个抽象的层次做些什么呢?(该如何思考呢?)

继承搭配虚函数-shape

  1. bjectID():在运行过程中,给每一个产生的对象一个ID,这个产生ID的过程,不管是椭圆还是方形,都是流水号,所以不需要让子类实现它,只需要父类定义它就可以了,那么把它定义为非虚函数

  2. error():在执行过程中,可能会报错,设计的父类可以给一个默认的报错形式;但是在设计椭圆或方形时,可能不同的子类可以由更好的报错形式,父类允许子类重新定义error(),所以父类定义为虚函数

  3. draw():这个必须要让所有的子类重新定义,因为父类不知道如何定义它,需要将它定义为纯虚函数

通过上述,可知继承要搭配虚函数才能达到最好的效果。

4.面向对象的几个应用(设计模式几种经典应用)

a.模板设计模式(Template Method)【Inheritance + virtual】

  • 继承搭配虚函数使用:

  • 场景:将关键执行部分延缓到子类中决定如何执行

模板设计模式-继承&虚函数

//模拟上边过程
#include<iostream>
using namespace std;

class CDocument
{
public:
	void OnFileOpen()
	{
		//这是个算法,每个cout输出代表一个实际动作
		cout << "dialog..." << endl;
		cout << "check file status ..." << endl;
		cout << "open file..." << endl;
		Serialize();//调用
		cout << "close file..." << endl;
		cout << "update all views..." << endl;
	}
	virtual void Serialize() { };
};

//
class CMyDoc : public CDocument
{
public:
	virtual void Serialize()
	{
		//只有应用程序本身才知道如何读取自己的文件(格式)
		cout << "CMyDoc::Serialize()" << endl;
	}
};

//
int main()
{
	CMyDoc myDoc;//假设对应【File/Open】
	myDoc.OnFileOpen();
}

b.从内存角度分析Inheritance+Composition关系下的构造和析构

  • 继承搭配组合使用,分为两种情况:

继承&组合-1

第一种:Derived(子类)继承Base(父类),(子类)同时包含了Component类

  • 从内存角度分析,Derived既有Base的成分,同时包含了Component

  • 那么谁先分配内存呢?或者说谁的构造函数先被执行呢?

    • Derived的构造函数首先调用Base的default构造函数,然后调用Component的default的构造函数,最后才执行自己

Derived::Derived(...) : Base(), Component() { ... };

继承&组合-2

第二种:Derived(子类)继承Base(父类),(父类)包含了Component

  • 从内存角度分析,Derived继承了Base的成分,Base包含了Component

  • 由内到外调用:先调用Component的default构造函数,再调用Base的default构造函数,最后调用Derived的构造函数。

c.观察者模式(Observer)【Delegation+Inheritance】

  • 将继承和委托搭配起来使用

委托&继承-1

  • 通过attach()将Observer对象注册到Subject对象中;

  • 在外部调用set_val()修改值的同时,通知各个观察者;

d.组合模式(Composite)【Deletation+Inheritance】

  • 将继承和委托搭配起来使用

理解:设想一下Linux中文件和目录的设计,目录也是一种文件,同时是一种容器,可以存放文件,也可以存放目录。那么该如何抽象出同时存放文件(Primitive)和目录(Composite)的文件系统类呢?

委托&继承-2

e.原型模式/克隆模式(Prototype)【Deletation+Inheritance】

场景:当父类(提前创建好的)需要一个继承体系并且需要【未来】才能创建子类:这样父类是不知道未来的子类是什么【即class name还没有出现】,父类不能使用new来创建子类,那该怎么实现呢?

  • 先让子类创建自身生成原型,再让父类看到子类,最后复制子类,这样就相当于创建了。

  • 当子类创建好后,父类如何才能看到呢?

    • 需要由父类创建好空间,由子类将创建好的对象放上去,放上去之后就属于上边的空间,父类就可以看到了

委托&继承-3

  1. 先调用-LandSatImage()构造函数创建对象【原型】,在创建过程中,调用addPrototype()将对象放到父类空间,即将子类放到prototypes[10]中;

  2. 通过放到父类的【原型】调用findAndClone()遍历调用clone()在创建对象作出副本;

思考: 如果没有【原型】,是否可以将clone()设为静态函数创建对象呢?

  • 不行,因为通过静态函数创建对象,需要class name,这里获取不到class name;
  1. clone()中是通过#LandSatImage(int)构造函数创建对象的:-LandSatImage()这个构造函数是创建【原型】的,并且这两个构造函数是通过参数int区别的。

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