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前言
此文开启一个系列，旨在秋招前将所有C++笔记进行汇总总结。
参考答案:chatgpt
一、类的封装
1.1、公有，私有，保护
类中的数据称之为数据成员，类中的函数称之为成员函数。
在C++中，类的成员变量和成员函数可以被访问控制符所限制，这些访问控制符分别是公有（public）、保护（protected）和私有（private）。举例1.1如下：
#include <iostream>
class MyClass {
public:
void setData(int shuru) {
privateData = shuru; // 类内使用私有成员：将参数赋值给私有成员
protectedData = shuru * 2; // 类内使用保护成员：将参数的两倍赋值给保护成员
std::cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << std::endl;
// 在类的成员函数中访问保护成员和私有成员
privateFunc();
protectedFunc();
}
int getData() {
return privateData; // 类内使用私有成员：：直接使用私有成员的名称
}
protected:
int protectedData; // 保护成员
void protectedFunc() {
std::cout << "This is a protected function." << std::endl;
} // 保护成员函数
private:
int privateData; // 私有成员
void privateFunc() {
std::cout << "This is a private function." << std::endl;
} // 私有成员函数
};
int main() {
MyClass obj;//对象
obj.setData(1234);//公有方法，可以在类外访问
std::cout << "Data: " << obj.getData() << std::endl; 公有方法，可以在类外访问
// obj.privateData = 456; // 私有成员不能在类的外部访问
// obj.privateFunc(); // 私有函数不能在类的外部访问
// obj.protectedData = 789; // 不能在类的外部访问保护成员
// obj.protectedFunc(); // 保护函数不能在类的外部访问
return 0;
}
1）公有成员函数可以在类的外部访问；私有成员函数和保护成员函数不能在类的外部访问，只能在类的内部访问。相当于是类的外部接口。
2）私有成员和保护成员的区别在于，私有成员只能在当前类的成员函数中访问，保护成员可以在当前类的成员函数和派生类的成员函数中访问。
3）公有成员函数可以访问类的所有成员，私有成员函数和保护成员函数也可以访问类的所有成员。
1.2、类的定义和类的实现相分离
在大型的C++工程文件里，类的定义和实现经常这样分开：（下面分成了三个文件）
MyClass.h：
MyClass.h：
#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H
class MyClass {
public:
void setData(int shuru);
int getData();
protected:
int protectedData;
void protectedFunc();
private:
int privateData;
void privateFunc();
};
#endif
MyClass.cpp：
MyClass.cpp：
#include "MyClass.h"
#include <iostream>
void MyClass::setData(int shuru) {
privateData = shuru; // 类内使用私有成员：将参数赋值给私有成员
protectedData = shuru * 2; // 类内使用保护成员：将参数的两倍赋值给保护成员
std::cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << std::endl;
// 在类的成员函数中访问保护成员和私有成员
privateFunc();
protectedFunc();
}
int MyClass::getData() {
return privateData; // 类内使用私有成员：：直接使用私有成员的名称
}
void MyClass::protectedFunc() {
std::cout << "This is a protected function." << std::endl;
} // 保护成员函数
void MyClass::privateFunc() {
std::cout << "This is a private function." << std::endl;
} // 私有成员函数
main.cpp：
main.cpp：
#include <iostream>
#include "MyClass.h"
int main() {
MyClass obj;
obj.setData(1234);
std::cout << "Data: " << obj.getData() << std::endl;
// obj.privateData = 456; // 私有成员不能在类的外部访问
// obj.privateFunc(); // 私有函数不能在类的外部访问
// obj.protectedData = 789; // 不能在类的外部访问保护成员
// obj.protectedFunc(); // 保护函数不能在类的外部访问
return 0;
}
这样做的好处有很多：
1）使代码更加清晰和易于维护。类的界面和实现分开，可以更加清晰地区分哪些是公共接口，哪些是实现细节，方便用户和开发人员理解和使用。
2）提高代码的可重用性。将类的实现与界面分离，可以方便地将类的实现部分复用到其他项目中，而不必担心可能引入的冲突和问题。
3）增加代码的安全性。将类的实现细节隐藏起来，可以防止外部代码直接访问类的私有数据和私有方法，从而提高代码的安全性。
4）降低代码的耦合度。类的界面和实现分离，可以使类的实现部分与其他代码解耦，从而降低代码的耦合度，提高代码的可维护性和可扩展性。
在终端里可以使用下面指令执行：将MyClass.cpp文件编译成目标文件，并将其与main.cpp文件一起链接成可执行文件，才能正确运行程序。
g++ -c MyClass.cpp -o MyClass.o
g++ main.cpp MyClass.o -o main
./main.exe
当然这个算比较简单的了，复杂一些需要上Cmake
1.3、构造函数，析构函数，拷贝构造函数
构造函数和析构函数是 C++ 中特殊的成员函数，它们分别在对象构造和析构时被调用。
构造函数的主要作用是初始化对象的成员变量，为对象提供一个合理的初始状态。当我们创建一个对象时，编译器会自动调用对象的构造函数。如果我们没有定义构造函数，编译器会生成一个默认构造函数，它不做任何事情。但如果我们需要在对象创建时进行一些初始化操作，就需要定义自己的构造函数。
析构函数的主要作用是在对象销毁时释放资源，例如关闭文件、释放内存等。当对象被销毁时，编译器会自动调用对象的析构函数。如果我们没有定义析构函数，编译器会生成一个默认析构函数，它不做任何事情。但如果我们需要在对象销毁时进行一些清理操作，就需要定义自己的析构函数。
总之，构造函数和析构函数是 C++ 中非常重要的特殊成员函数，它们分别在对象构造和析构时被调用，用于初始化对象的成员变量和释放对象占用的资源。
例1.1加入构造函数和析构函数，得到例1.2，可以感受一下构造函数和析构函数的作用：
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass {
public:
MyClass(int data) : privateData(data) {
protectedData = data * 2;//初始化变量
cout << "MyClass constructor called." << endl;
}
~MyClass() {
cout << "MyClass destructor called." << endl;
}
void setData(int shuru) {
privateData = shuru;
protectedData = shuru * 2;
cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << endl;
privateFunc();
protectedFunc();
}
int getData() {
return privateData;
}
protected:
int protectedData;
void protectedFunc() {
cout << "This is a protected function." << endl;
}
private:
int privateData;
void privateFunc() {
cout << "This is a private function." << endl;
}
};
int main() {
MyClass obj(100);
obj.setData(12345);
cout << "Data: " << obj.getData() << endl;
return 0;
}
这是一个构造函数的初始化列表，用于初始化私有成员变量privateData。privateData(data)表示将传入的参数data赋值给私有成员变量privateData。这种方式比在构造函数的函数体中直接赋值更高效，因为它避免了在构造函数体中再次对成员变量进行初始化。
当然一个类中，构造函数的形态不止一种，下面是一个例子：
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass {
public:
MyClass() : privateData(0), protectedData(0) {
cout << "MyClass default constructor called." << endl;
}
MyClass(int data) : privateData(data) {
protectedData = data * 2;
cout << "MyClass constructor with one parameter called." << endl;
}
MyClass(int data1, int data2) : privateData(data1), protectedData(data2) {
cout << "MyClass constructor with two parameters called." << endl;
}
~MyClass() {
cout << "MyClass destructor called." << endl;
}
void setData(int shuru) {
privateData = shuru;
protectedData = shuru * 2;
cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << endl;
privateFunc();
protectedFunc();
}
int getData() {
return privateData;
}
protected:
int protectedData;
void protectedFunc() {
cout << "This is a protected function." << endl;
}
private:
int privateData;
void privateFunc() {
cout << "This is a private function." << endl;
}
};
int main() {
MyClass obj1;
MyClass obj2(100);
MyClass obj3(100, 200);
obj2.setData(12345);
cout << "Data: " << obj2.getData() << endl;
return 0;
}
这个代码中，我们添加了一个默认构造函数MyClass()，一个带有一个参数的构造函数MyClass(int data)，和一个带有两个参数的构造函数MyClass(int data1, int data2)。同时，我们也修改了构造函数的输出信息，以便更好地区分它们。
输出结果：
构造函数和析构函数的关系：
构造函数和析构函数是成对出现的，构造函数用于初始化对象，而析构函数用于清理对象。在对象创建时，构造函数会被调用一次，而在对象销毁时，析构函数会被调用一次。因此，它们是一一对应的。
在程序中，构造函数和析构函数的调用次数取决于对象的创建和销毁。如果只创建了一个对象，那么构造函数和析构函数各被调用一次。如果创建了多个对象，那么每个对象都会调用一次构造函数和析构函数。如果对象是在栈上创建的，那么它们的构造函数和析构函数会在进入和离开作用域时被调用。如果对象是在堆上创建的，那么需要手动调用delete来销毁对象，这时析构函数会被调用。
需要注意的是，如果一个类继承了另一个类，那么在创建和销毁对象时，构造函数和析构函数的调用顺序是从基类到派生类的。也就是说，先调用基类的构造函数，再调用派生类的构造函数；先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数。
除此之外，还有一种特殊的构造函数：拷贝构造函数：
拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，用于将一个对象的值复制到另一个对象中。拷贝构造函数的作用是创建一个新对象，并将已有对象的值复制到新对象中。它常用于以下三种情况：
1）用一个已有对象来初始化一个新对象。
2）将一个对象作为参数传递给一个函数。
3）在函数中返回一个对象。
举个例子：
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass {
public:
MyClass() : privateData(0), protectedData(0) {
cout << "MyClass default constructor called." << endl;
}
MyClass(int data) : privateData(data) {
protectedData = data * 2;
cout << "MyClass constructor with one parameter called." << endl;
}
MyClass(int data1, int data2) : privateData(data1), protectedData(data2) {
cout << "MyClass constructor with two parameters called." << endl;
}
MyClass(const MyClass& other) {
privateData = other.privateData;
protectedData = other.protectedData;
cout << "MyClass copy constructor called." << endl;
}
~MyClass() {
cout << "MyClass destructor called." << endl;
}
void setData(int shuru) {
privateData = shuru;
protectedData = shuru * 2;
cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << endl;
privateFunc();
protectedFunc();
}
int getData() {
return privateData;
}
protected:
int protectedData;
void protectedFunc() {
cout << "This is a protected function." << endl;
}
private:
int privateData;
void privateFunc() {
cout << "This is a private function." << endl;
}
};
void func1(MyClass obj) {
cout << "func1 called." << endl;
}
MyClass func2() {
cout << "func2 called." << endl;
MyClass obj(456);
return obj;
}
int main() {
MyClass obj1;
MyClass obj2(100);
MyClass obj3(100, 200);
obj2.setData(12345);
cout << "Data: " << obj2.getData() << endl;
MyClass obj4(obj2);
MyClass obj5 = obj3;
func1(obj4);
MyClass obj6 = func2();
return 0;
}
这里添加了一个拷贝构造函数，用于将一个对象的值复制到另一个对象中。同时，我添加了两个函数，一个是将对象作为参数传递给函数，另一个是在函数中返回对象。这两个函数都会自动调用拷贝构造函数。
在 main 函数中，我创建了几个对象，并调用了它们的成员函数。然后，我创建了两个新的对象，一个是通过拷贝构造函数创建的，另一个是通过赋值运算符创建的。最后，我调用了两个函数，一个是将对象作为参数传递给函数，另一个是在函数中返回对象。在这两个函数中，都会自动调用拷贝构造函数。
在这些情况下，如果没有定义拷贝构造函数，编译器会自动生成一个默认的拷贝构造函数来完成对象的复制。如果需要进行深拷贝，需要自己定义拷贝构造函数。
1.4、静态数据成员和静态成员函数
静态数据成员是指属于类的成员，而不是属于类的对象的成员。它们是在类被定义时被声明的，而不是在类的对象被创建时被定义的。它们被所有该类的对象所共享，因此它们的值在所有对象之间都是相同的。静态数据成员在程序开始时候被创建，在程序结束时被销毁（而不是构造和析构）
静态数据成员的存在有以下几个好处：
与普通成员变量不同，静态数据成员不需要在每个对象中都存储一份。这可以节省内存空间。
静态数据成员可以被所有该类的对象所共享，这使得它们可以用于在类的所有对象之间传递信息。
静态数据成员可以在类的外部被访问，这使得它们可以用于实现类似于全局变量的功能。
静态数据成员可以被用作常量表达式，这使得它们可以用于在编译时计算常量值。
静态成员函数是指在类中使用 static 关键字修饰的成员函数。静态成员函数不依赖于任何对象，可以直接通过类名调用，而不需要创建对象。因此，静态成员函数不能访问非静态成员变量和非静态成员函数，只能访问静态成员变量和静态成员函数。
（示例）：
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass {
public:
MyClass() : privateData(0), protectedData(0) {
cout << "MyClass default constructor called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
MyClass(int data) : privateData(data) {
protectedData = data * 2;
cout << "MyClass constructor with one parameter called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
MyClass(int data1, int data2) : privateData(data1), protectedData(data2) {
cout << "MyClass constructor with two parameters called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
MyClass(const MyClass& other) {
privateData = other.privateData;
protectedData = other.protectedData;
cout << "MyClass copy constructor called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
~MyClass() {
cout << "MyClass destructor called." << endl;
count--; // 每次销毁对象时，对象数量减1
}
void setData(int shuru) {
privateData = shuru;
protectedData = shuru * 2;
cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << endl;
privateFunc();
protectedFunc();
}
int getData() {
return privateData;
}
static int getCount() {
return count; // 返回对象数量
}
protected:
int protectedData;
void protectedFunc() {
cout << "This is a protected function." << endl;
}
private:
int privateData;
void privateFunc() {
cout << "This is a private function." << endl;
}
static int count; // 所有对象的数量
};
int MyClass::count = 0; // 在类外部初始化静态数据成员
void func1(MyClass obj) {
cout << "func1 called." << endl;
}
MyClass func2() {
cout << "func2 called." << endl;
MyClass obj(456);
return obj;
}
int main() {
MyClass obj1;
MyClass obj2(100);
MyClass obj3(100, 200);
obj2.setData(12345);
cout << "Data: " << obj2.getData() << endl;
MyClass obj4(obj2);
MyClass obj5 = obj3;
cout << "Total objects: " << MyClass::getCount() << endl; // 输出对象数量
func1(obj4);
MyClass obj6 = func2();
cout << "Total objects: " << MyClass::getCount() << endl; // 输出对象数量
return 0;
}
静态成员经常用来做计数器的功能，就像上面代码所示。
当然静态数据成员可以被对象引用，比如MyClass::getCount()其实和obj6.getCount()实现的效果差不多，但是：
MyClass::getCount() 是静态调用，不需要创建对象，可以在任何地方调用；
obj6.getCount() 是动态调用，需要先创建对象，然后通过对象名调用。
另外需要注意的是，静态成员函数只能访问静态成员变量和静态成员函数，而不能访问非静态成员变量和非静态成员函数。因此，如果需要访问非静态成员变量或非静态成员函数，就需要通过对象名调用成员函数。
1.5、友元函数，友元类
友元是C++语言中的一个特殊概念，它允许某个函数或类访问另一个类的保护成员和私有成员。C++中的封装性要求类的私有成员和保护成员只能被类的成员函数访问，而友元机制则打破了这个限制，允许某些外部函数或类访问私有成员和保护成员，从而提高了程序的灵活性和可扩展性。
友元函数可以放在类中的任意位置，实现部分放在类外。
友元类是指一个类可以访问另一个类的私有成员和保护成员，这个类就是另一个类的友元类。友元类的声明方式和友元函数类似，需要在类的声明中使用friend关键字进行声明。
友元类可以访问被它所声明的类的私有成员和保护成员，但是它本身并不是被它所声明的类的成员，因此它不能直接访问被它所声明的类的成员变量和成员函数。如果需要访问被它所声明的类的成员变量和成员函数，可以通过类对象或者指针来访问。
下面是一个例子：
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass {
public:
MyClass() : privateData(0), protectedData(0) {
cout << "MyClass default constructor called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
MyClass(int data) : privateData(data) {
protectedData = data * 2;
cout << "MyClass constructor with one parameter called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
MyClass(int data1, int data2) : privateData(data1), protectedData(data2) {
cout << "MyClass constructor with two parameters called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
MyClass(const MyClass& other) {
privateData = other.privateData;
protectedData = other.protectedData;
cout << "MyClass copy constructor called." << endl;
count++; // 每次创建对象时，对象数量加1
}
~MyClass() {
cout << "MyClass destructor called." << endl;
count--; // 每次销毁对象时，对象数量减1
}
void setData(int shuru) {
privateData = shuru;
protectedData = shuru * 2;
cout << "setData: privateData = " << privateData << ", protectedData = " << protectedData << endl;
privateFunc();
protectedFunc();
}
int getData() {
return privateData;
}
static int getCount() {
return count; // 返回对象数量
}
protected:
int protectedData;
void protectedFunc() {
cout << "This is a protected function." << endl;
}
private:
int privateData;
void privateFunc() {
cout << "This is a private function." << endl;
}
static int count; // 所有对象的数量
friend void friendFunc(MyClass obj); // 声明友元函数
friend class FriendClass; // 声明友元类，FriendClass是Myclass的友元类
};
int MyClass::count = 0; // 在类外部初始化静态数据成员
void friendFunc(MyClass obj) { // 定义友元函数
cout << "friendFunc called, privateData = " << obj.privateData << endl;
obj.privateFunc();
}
class FriendClass { // 定义友元类
public:
void friendClassFunc(MyClass obj) {
cout << "FriendClass called, protectedData = " << obj.protectedData << endl;
obj.protectedFunc();
}
};
void func1(MyClass obj) {
cout << "func1 called." << endl;
friendFunc(obj); // 调用友元函数
}
MyClass func2() {
cout << "func2 called." << endl;
MyClass obj(456);
return obj;
}
int main() {
MyClass obj1;
MyClass obj2(100);
MyClass obj3(100, 200);
obj2.setData(12345);
cout << "Data: " << obj2.getData() << endl;
MyClass obj4(obj2);
MyClass obj5 = obj3;
cout << "Total objects: " << MyClass::getCount() << endl; // 输出对象数量
func1(obj4);
FriendClass friendObj; // 创建友元类对象
friendObj.friendClassFunc(obj2); // 调用友元类的成员函数
MyClass obj6 = func2();
cout << "Total objects: " << MyClass::getCount() << endl; // 输出对象数量
return 0;
}
友元的弊端主要有以下几点：
破坏了封装性：友元可以访问类的私有成员和保护成员，这破坏了封装性，可能会导致类的安全性降低。
可能会导致耦合度增加：友元函数或友元类需要知道类的实现细节，这可能会导致类和友元之间的耦合度增加，使得类的实现变得更加复杂。
友元不具有继承性：如果一个类是另一个类的友元，那么它并不具有继承性，即它不能访问派生类的私有成员和保护成员。
因此，在使用友元时需要慎重考虑，只有在必要的情况下才应该使用友元。
二、类的实现——对象
2.1、对象的静态分配，动态分配（堆对象）
对象内存的静态分配和动态分配是指在程序运行时，对象所占用的内存空间是在编译时确定还是在运行时动态分配的。
静态分配是指在编译时为对象分配固定大小的内存空间，这种方式也称为栈分配。栈是一种先进后出的数据结构，它的内存分配和释放是由系统自动完成的，程序员不需要手动管理内存。静态分配的优点是速度快，缺点是内存空间固定，不够灵活，无法动态扩展。
动态分配是指在程序运行时根据需要动态地分配内存空间，这种方式也称为堆分配。堆是一种动态分配内存的方式，程序员需要手动管理内存的分配和释放。动态分配的优点是灵活性强，可以动态地扩展内存空间，缺点是速度较慢，容易出现内存泄漏和内存碎片等问题。
对于对象的内存分配，一般情况下建议使用动态分配，尤其是对象的大小不确定或者需要动态扩展时。但是在某些情况下，静态分配也是一种不错的选择，例如对象的大小固定且较小，或者需要频繁创建和销毁对象时，使用静态分配可以提高程序的运行效率。
静态分配的对象也称为自动变量（automatic variable）、栈变量（stack variable）或局部变量（local variable）。它们的内存在程序编译时就已经分配好了，作用域只在当前代码块中，当代码块执行完毕时，它们会自动被销毁。
动态分配的对象也称为堆对象（heap object）、动态对象（dynamic object）或者动态内存分配对象（dynamically allocated object）。它们的内存空间在程序运行时动态分配，作用域可以跨越多个代码块，需要手动管理内存的分配和释放。
下面是堆对象建立删除，堆对象数组建立删除的例子
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass
{
public:
MyClass() { cout << "MyClass constructed!" << endl; }
~MyClass() { cout << "MyClass destructed!" << endl; }
};
int main()
{
// 建立堆对象
MyClass* ptr = new MyClass();
// 使用堆对象
cout << "Using heap object..." << endl;
// 删除堆对象
delete ptr;
return 0;
}
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass
{
public:
MyClass() { cout << "MyClass constructed!" << endl; }
~MyClass() { cout << "MyClass destructed!" << endl; }
};
int main()
{
// 建立堆对象数组
MyClass* arr = new MyClass[5];
// 使用堆对象数组
cout << "Using heap object array..." << endl;
// 删除堆对象数组
delete[] arr;
return 0;
}
2.2、子对象
2.3、this指针
this指针是一个指向当前对象的指针，它在成员函数中使用。this指针的作用是为了区分同名的成员变量和局部变量。在成员函数中，如果有一个参数与成员变量同名，那么在函数中直接使用该变量名时，编译器会默认使用参数而不是成员变量。这时可以使用this指针来明确指出要使用的是成员变量而不是参数。
另外，this指针还可以用于在一个成员函数中返回当前对象的引用。例如，可以在一个成员函数中返回*this，表示返回当前对象的引用。这在链式调用中非常常见，可以使代码更加简洁易读。
举个例子：
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
int age;
int getAge() {
return this->age;
}
};
int main() {
Person person1;
person1.age = 18;
cout << "person1's age is " << person1.getAge() << endl;
Person person2;
person2.age = 25;
cout << "person2's age is " << person2.getAge() << endl;
return 0;
}
上面等价于下面：
```cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
int age;
int getAge() {
return age;
}
};
int main() {
Person person1;
person1.age = 18;
cout << "person1's age is " << person1.getAge() << endl;
Person person2;
person2.age = 25;
cout << "person2's age is " << person2.getAge() << endl;
return 0;
}
在成员函数中，可以直接访问类的成员变量，不需要使用"this"指针。因此，"return this->age"和"return age"是等价的。不过，使用"this"指针可以明确地表示当前对象，增加代码的可读性。
