深蓝学院C++基础与深度解析笔记 第 11 章 类

1. 结构体与对象聚合
**● 结构体：**对基本数据结构进行扩展，将多个对象放置在一起视为一个整体

– 结构体的声明与定义（注意定义后面要跟分号来表示结束）
– 仅有声明的结构体是不完全类型（ incomplete type ）
– 结构体（以及类）的一处定义原则：翻译单元级别

● 数据成员（数据域）的声明与初始化

– （ C++11 ）数据成员可以使用 decltype 来声明其类型，但不能使用 auto（除静态）
– 数据成员声明时可以引入 const 、引用等限定
– 数据成员会在构造类对象时定义
– （ C++11 ）类内成员初始化
– 聚合初始化：从初始化列表到指派初始化器

#include <iostream>
struct Str 
{
     int x;
     int y;
}

int main()
{
  Str m_str;
  m str.x = 3;
  std::cout < m str.x < std::endl; 
}

有声明即可定义指针，结构体内可以使用decltype(),不可以使用auto；
● mutable 限定符,只能在结构体内限定定义
● 静态数据成员 多个对象之间共享的数据成员

– 定义方式的衍化

● C++98 ：类外定义， const 静态成员的类内初始化
● C++17 ：内联静态成员的初始化

– 可以使用 auto 推导类型

● 静态数据成员的访问

– “.” 与“ ->” 操作符
– “::” 操作符

● 在类的内部声明相同类型的静态数据成员

2. 成员函数（方法）

● C语言不可以在结构体中定义函数；C++可以在结构体中定义函数，作为其成员的一部分：对内操作数据成员，对外提供调用接口:

– 在结构体中将数据与相关的成员函数组合在一起将形成类，是 C++ 在 C 基础上引入的概念
– 关键字 class, struct在此类似于public:
– 类可视为一种抽象数据类型，通过相应的接口（成员函数）进行交互
– 类本身形成域，称为类域 

● 成员函数的声明与定义:

– 类内定义（隐式内联）
– 类内声明 + 类外定义, 类外显示内联：inline
– 类与编译期的两遍处理:但是只能处理内置类型后置，自定义类型还是需要桉顺序使用
– 成员函数与尾随返回类型（ trail returning type ）

● 成员函数与 this 指针： str *const this

– 使用 this 指针引用当前对象
– 基于 const 的成员函数重载,this本身不能修改，但是this->x可以

**● 成员函数的名称查找与隐藏关系：**先找最小范围的作用域，在递归的寻找外一层的作用域

– 函数内部（包括形参名称）隐藏函数外部
– 类内部名称隐藏类外部
– 使用 this 或域操作符引入依赖型名称查找

ps: 类名::变量/函数即为该类下的变量/函数， :: 变量/函数：中省略::前的作用域范围即为全局的变量/作用域
● 静态成员函数：被所有对象共享

– 在静态成员函数中返回静态数据成员

● 成员函数基于引用限定符的重载（ C++11 ）

3. 访问限定符与友元
访问限定符与友元
● 使用 public/private/protected 限定类成员的访问权限

– 限定目标 ： 访问权限的引入使得可以对抽象数据类型进行封装
– 类与结构体缺省访问权限的区别： C++默认：private, C 默认类似于public

● 使用友元打破访问权限限制 关键字 —— friend

– 声明某个类或某个函数是当前类的友元 慎用！ —— 改变了【封装】  特性
– 在类内首次声明友元类或友元函数：可以先声明freined ,再定义；声明friend和声明函数是两个概念
  ● 注意使用限定名称引入友元并非友元类（友元函数）的声明： 假如使用了全局限定::则需要提前声明或定义函数

#include <iostream>
#include <vector>

class Str2;
class str 
{
    friend Str2;  // str2可以访问str的私有和保护类型的数据和函数 ，单向的   
public:
    inline static int x; 
private:
    int y;
};

class Str2 
{
    void fun() 
    {
        std::cout<<Str::x<< std::endl; 
    }
}; 

– 友元函数的类内外定义与类内定义

隐藏友元（ hidden friend ）：常规名称查找无法找到,在类内定义

● 好处：减轻编译器负担，防止误用
● 改变隐藏友元的缺省行为：在类外声明或定义函数

4. 构造、析构与复制成员函数

● 构造函数： 构造对象时调用的函数,无返回

– 名称与类名相同，无返回值，可以包含多个版本（可重载）
– 代理构造函数（ C++11 ）：使用别的函数完成构造，然后再执行本构造函数的内容

代理构造：

● 初始化列表： 区分数据成员的初始化与赋值，尽量和初始化顺序一致

– 通常情况下可以提升系统性能
– 一些情况下必须使用初始化列表（如类中包含引用成员）
– 注意元素的初始化顺序与其声明顺序相关，与初始化列表中的顺序无关（初始化列表可能顺序不一致，但是声明顺序是固定的，为了满足先构造的后销毁的原则）
– 使用初始化列表覆盖类内成员初始化的行为

先构造的后销毁，后构造的对象先销毁！
**● 缺省构造函数：**不需要提供实际参数就可以调用的构造函数

– 如果类中没有提供任何构造函数，那么在条件允许的情况下，编译器会自动合成一个缺省构造函数
– 合成的缺省构造函数会使用缺省初始化来初始化其数据成员
– 调用缺省构造函数时避免 most vexing parse

classname m();      //会把m认为是函数而不是对象

使用 = default 关键字定义缺省构造函数，只有编译器能合成的函数它才会去合成。

● 单一参数构造函数

– 可以视为一种类型转换函数
– 可以使用 explicit 关键字避免求值过程中的隐式转换

● 拷贝构造函数： 接收一个当前类对象的构造函数

– 会在涉及到拷贝初始化的场景被调用，比如：参数传递。因此要注意拷贝构造函数的形参类型
– 如果未显式提供，那么编译器会自动合成一个，合成的版本会依次对每个数据成员调用拷贝构造

● 移动构造函数 (C++11) ：
将旧的对象转移给新对象后，旧的对象自动销毁。接收一个当前类右值引用对象的构造函数，进一步提升系统性能。

– 可以从输入对象中“  偷窃”  资源，只要确保传入对象处于合法状态即可
– 当某些特殊成员函数（如拷贝构造）未定义时，编译器可以合成一个，有移动调移动，没有移动调拷贝 （C++17）
– 通常声明为不可抛出异常的函数： noexcept,一旦抛出就会崩溃
– 注意右值引用对象用做表达式时是左值！ 

PS：&& 代表右值引用

语义移动：
在C++中，移动语义是一种优化技术，用于在对象之间转移资源的所有权，而不是进行复制。 当你移动一个对象时，源对象的资源所有权转移到目标对象，源对象不再拥有该资源。

移动操作通常使用移动构造函数和移动赋值运算符来实现。这些特殊的成员函数允许你有效地将资源（如堆上的内存、文件句柄等）从一个对象转移到另一个对象，而无需进行代价昂贵的复制操作。

在进行移动操作时，原始对象的内存空间仍然存在，但它的状态可能会变为有效但不确定的状态。 是因为移动操作不对原始对象进行显式的清理或重置，这意味着你不能再对原始对象进行任何有意义的操作，因为它的资源已被移动到其他对象。对于移动后的原始对象，你可以选择销毁它或重新赋值为其他有效值。（为了避免误用移动操作导致不确定状态，建议清理！）

移动操作的主要好处是避免了不必要的复制开销，特别是在涉及大型对象或资源密集型对象时。通过移动对象，可以更高效地管理资源并提高程序的性能。

需要注意的是，只有具有可移动语义的对象才能被移动。这包括具有移动构造函数和移动赋值运算符的类，或者具有可移动成员的类（如std::unique_ptr、std::vector等）。

总结起来，移动操作将资源的所有权从一个对象转移到另一个对象，原始对象进入有效但不确定的状态，而移动后的对象获得资源的所有权。移动操作的主要目的是避免不必要的复制并提高程序性能。

● 拷贝赋值与移动赋值函数（ operator = ）

Str m;        //缺省构造函数  无参
Str m2 = m;   //拷贝赋值
Str m3(m2);   //移动构造函数
m3 = m;       //赋值运算符，会被翻译成 m3.opreator = (m);

拷贝赋值返回值是：类名&

– 注意赋值函数不能使用初始化列表
– 通常来说返回当前类型的引用
– 注意处理给自身赋值的情况
– 在一些情况下编译器会自动合成

● 析构函数

– 函数名：“ ” ～ 加当前类型，无参数，无返回值
– 用于销毁对象以及扫尾工作，执行完最后一句才会跳出执行内存回收。
– 注意内存回收是在调用完析构函数时才进行
– 除非显式声明，否则编译器会自动合成一个，其内部逻辑为平凡的
– 析构函数通常不能抛出异常

● 通常来说，一个类：

– 如果需要定义析构函数，那么也需要定义拷贝构造与拷贝赋值函数（显式地）
– 如果需要定义拷贝构造函数，那么也需要定义拷贝赋值函数
– 如果需要定义拷贝构造（赋值）函数，那么也要考虑定义移动构造（赋值）函数

没有定义在使用时就会造成二次释放或者多次释放
ps:

1. Rule of Three (三法则)：
如果需要定义析构函数、拷贝构造函数或拷贝赋值函数中的任何一个，就需要显式定义这三个函数。

这个原则确保了资源管理的正确性和一致性。

2. Rule of Five (五法则)：
在C++11及更高版本中，如果需要定义拷贝构造函数或拷贝赋值函数，就需要同时定义析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值函数，并且还要考虑定义移动构造函数和移动赋值函数。

这个原则兼容了移动语义，提高了对象的性能和效率。

请注意，这些名称是广为接受的通用术语，用于描述C++编程中的最佳实践。
● 示例：包含指针的类：

● default 关键字
– 只对特殊成员函数有效

● delete 关键字
=delete 表示禁用该函数

– 对所有函数都有效
– 注意其与未声明的区别
– 注意不要为移动构造（移动赋值）函数引入 delete 限定符

● 如果只需要拷贝行为，那么引入拷贝构造即可
● 如果不需要拷贝行为，那么将拷贝构造声明为 delete 函数即可
● 注意 delete 移动构造（移动赋值）对 C++17 的新影响

如果一个类有用户自定义的拷贝赋值运算符或拷贝构造函数，或者有用户自定义的析构函数，那么该类的相关默认函数的隐式定义会被弃用，并且在未来的C++版本中可能会被删除，需要显式定义相关函数来替代。

5. 字面值类，成员指针与 bind 交互

● 字面值类：可以构造编译期常量的类型

– 其数据成员需要是字面值类型
– 提供 constexpr / consteval 构造函数 （小心使用 consteval ）
– 平凡的析构函数（没有自定义行为的析构函数）
– 提供 constexpr / consteval 成员函数 （小心使用 consteval ）
– 注意：从 C++14 起 constexpr / consteval 成员函数非 const 成员函数

constexpr和consteval区别：

constexpr和consteval是C++中的两个关键字，用于指定编译时常量表达式和编译时求值函数。

1. constexpr：

   • constexpr是C++11引入的关键字，用于声明一个编译时常量表达式。它可以应用于变量、函数、构造函数等。
   • 用constexpr声明的变量必须在编译时求值并产生常量结果，可以用于编译时常量的计算和编译时优化。
   • constexpr函数是在编译时进行求值的函数，它的参数和返回值必须是可编译时求值的表达式，函数体内只能包含可编译时求值的语句。
   • 在C++14之前，constexpr函数只能包含一些简单的计算和控制流程，而在C++14及以后的版本中，constexpr函数可以包含更复杂的逻辑。

2. consteval：

   • consteval是C++20引入的关键字，用于声明一个编译时求值函数，要求在编译时执行。
   • consteval函数是在编译时强制执行的函数，它的参数和返回值必须是可编译时求值的表达式，函数体内只能包含可编译时求值的语句。
   • 与constexpr函数不同，consteval函数在编译时强制要求函数的调用结果能在编译期间确定，否则会引发编译错误。
   • consteval函数适用于需要在编译时执行的严格要求，可以用于生成更高效的代码，但使用场景相对较少。

总结：
constexpr用于声明编译时常量表达式和函数，而consteval用于声明在编译时强制求值的函数。它们都提供了在编译期间进行求值和优化的能力，但consteval更加严格，要求函数在编译时一定能求值，否则会导致编译错误。

● 成员指针

– 数据成员指针类型示例： int A::*;  即使A中没有任何东西
– 成员函数指针类型示例： int (A::*)(double);
– 成员指针对象赋值： auto ptr = &A::x;
   ● 注意域操作符子表达式不能加小括号（否则 A::x 一定要有意义，例如静态）
   – 成员指针的使用：
        ● 对象 .* 成员指针
        ● 对象指针 ->* 成员指针

无法加减，会被认为不是同一类型的，下式报错：

● bind 交互： 需要引入类的对象

– 使用 bind + 成员指针构造可调用对象
– 注意这种方法也可以基于数据成员指针构造可调用对象