【C++】类和对象要点汇总

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 目录

一、类的引入

二、类的访问限定符

三、类的中成员函数的定义和声明

四、类的大小及类对象的存储方式

1、类的大小

2、类对象的存储方式

五、隐含的this指针

1、this指针的特点

2、this指针可以为空吗？

六、运算符重载

1、运算符重载的概念

2、运算符重载的注意事项

3、<<流插入、>>流提取运算符

4、赋值运算符重载

七、类的六大默认成员函数

八、全局函数的函数名重复问题

1、问题描述

2、解决方案

九、const对象、成员函数权限问题

1、const对象无法调用非const成员函数

2、日期类const对象调用非const的operator-失败

十、类的静态成员

1、类的静态成员特点

2、静态成员函数能调用非静态成员变量吗？

十一、友元

1、友元函数

2、友元函数的特点

3、友元类

4、友元类的特点

十二、内部类

1、内部类的大小

2、内部类的访问

3、内部类的特点

十三、匿名对象及编译器的优化行为

1、匿名对象

2、单参数、多参数的隐式类型转换的优化行为

3、匿名对象传参时的优化写法

3.1优化前

3.2优化后 

4、编译器对返回值的优化

4.1无优化

4.2构造优化

4.3使用匿名对象极致优化

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一、类的引入

C语言中，结构体struct中只能定义变量，而函数全部都定义在结构体的外部，这就使得C语言是一门面向过程的语言。而C++中，将成员变量和成员函数放在一个类中，使得C++是面向对象的语言。

二、类的访问限定符

类的访问限定符有public（公有）、private（私有）、protected（保护）

1、类的访问限定符是限制类域外的访问权限，类域内部都是可以互相访问到的

2、class默认访问权限是private，而struct的中的默认访问权限是public

三、类的中成员函数的定义和声明

类定义了一个新的作用域，成员函数可以在类中定义，也可以只把函数声明放在类中，定义放在类外。不过将定义放在类外的方式需要在函数名前写清楚类域。

class stu
{
public:
	void print();
private:
	char _name[10];
	size_t _age;
};
void stu::print()//定义在外，需要指明该函数的类域
{
	;
}

四、类的大小及类对象的存储方式

1、类的大小

类的大小只计算成员变量的大小，不计算成员函数的大小。类的大小遵循内存对齐规则（详见【C语言】结构体内存对齐规则）。

注意：空类的大小是1字节，用于占位。

2、类对象的存储方式

类的非静态成员变量存储在类中（栈区），在计算类的大小时，只计算成员变量的大小即可。

每个对象的成员变量都不相同，但每个变量所需要调用的成员函数都是相同的，所以把类的非静态成员函数全部放在代码区，形成一个公共的类函数代码区域，每个对象在调用函数时直接去该区域调用成员函数。

这样做的优势是，每个对象在创建时，只要保存成员变量即可，减少了创建变量所需要的空间，需要调用成员函数时，每个对象自己去公共的代码区域调用即可。

五、隐含的this指针

那么C++中的类将成员变量和成员函数封装在一起，我们并没有像C语言那样传入对象结构体的参数，那么编译器是怎么知道这次调用时属于哪个对象的呢？原因在于C++中，每个非静态函数有一个隐含的this指针。通过this指针，谁调用成员函数就是访问谁的成员变量。

this指针定义传递是编译器的事情，我们只能在成员函数内部使用this指针。

1、this指针的特点

1、className* const this注意this指针是被const修饰的，我们不能改动this。只能在成员函数内部使用this

2、this指针本质上是成员函数的形参，当对象调用成员函数时，将对象的地址作为实参传递给this指针，所以对象中不存储this指针。

3、编译器在生产程序时获取了对象的地址，并把获取到的地址放到了寄存器ECX中。（形参存放在栈区，this指针在寄存器ECX中）

2、this指针可以为空吗？

this指针可以为空。

class A {
public:
	void Print()//这里的this指针不发生解引用
	{
		cout << "Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();//这里不是解引用
	return 0;
}

上面这段代码是可以运行成功的。因为成员函数没有存放在对象中，而是在公共代码区域，所以p->Print()不是解引用，A* const this（这里的this就是p）调用Print()函数。所以this指针可以为空。

class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;//相当于cout<_a<
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();//这里不是解引用
	return 0;
}

上面这段代码printA函数中发生了this指针的解引用，this就是外部传入的p，这里相当于对空指针的解引用。

六、运算符重载

运算符重载的使用可参考此处：【C++】实现一个日期计算器。

1、运算符重载的概念

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。

函数名为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。

函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

例如bool operator==(const Date& d)

2、运算符重载的注意事项

1、不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@ ，@是未知字符，只有运算符才能重载。

2、运算符重载必须有一个类类型参数，且这个操作符有几个操作数就得有几个参数，比如全局operator+，类内通过函数调用私有变量，有两个参数。

3、用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不能改变其含义。

4、写成成员函数时，第一个参数是隐含的this指针。

5、.* :: sizeof ?: . 注意以上5个运算符不能重载。

6、像++和--是单操作数的运算符，在重载时，无法区分是前置的重载还是后置的重载，所以C++规定：前置重载与普通运算符重载一致，后置重载需要在参数列表中加入一个无用的参数。这个参数必须是int类型（用别的类型编译器报错）。

3、<<流插入、>>流提取运算符

这两个运算符一般不在类中重载，而是在全局重载。为了访问到类中的私有变量，会在类中放入该函数友元声明。

因为类中的成员函数第一个参数是隐含的this指针，而根据使用习惯，流插入和流提取运算符的重载的类对象应该是右操作数。

4、赋值运算符重载

对于赋值运算符重载，这是一个特殊的运算符重载，因为它是类的六大默认成员函数之一。

所以它的声明必须在类中，如果声明在全局，类中会生成默认的赋值运算符的重载，会和这个全局的赋值运算符重载发生函数名冲突！！！

七、类的六大默认成员函数

详见【C++】类的六大默认成员函数

八、全局函数的函数名重复问题

1、问题描述

当一个函数定义在全局的头文件时，它将会在预处理阶段在所有的.cpp文件中展开并包含。并在链接阶段发生函数名重复的问题。

2、解决方案

1、声明和定义分离；

2、在函数前加上static，改变函数的链接属性。当该函数在预处理阶段被多个.cpp包含时，因为是静态的函数，不会进符号表。（仅当前文件可见）

3、在函数前加上inline，内联函数在编译时不会进符号表。

所以.h尽量不要定义全局的变量或函数。

九、const对象、成员函数权限问题

1、const对象无法调用非const成员函数

注意：权限放大只针对指针和引用，与赋值无关。

函数右边的const是修饰this指针指向的内容，即*this。

2、日期类const对象调用非const的operator-失败

例如此处的报错是由于d.operator>(const Date& d);传参时权限放大。

总结：函数内部不改变成员变量，即*this对象数据不改变的函数，函数后需要加上const修饰this指针，保护*this。

十、类的静态成员

1、类的静态成员特点

1、静态成员变量必须在类外初始化，且定义时不加static但要加上类域（C++语法中，只有指针和整型的const static成员是可以在类中进行初始化的。）

2、静态成员存放于静态区，所有类对象共享这些静态成员，所以静态成员不占用类的内存空间。

3、类的公共静态成员可用类名::静态成员 或者 对象.静态成员来访问

4、静态成员函数没有隐藏的this指针，不能访问任何非静态成员

5、静态成员也是类的成员，生命周期是全局的，但是作用域受public、protected、private 访问限定符的限制

2、静态成员函数能调用非静态成员变量吗？

不能。

因为静态成员函数没有this指针，无法调用对象的普通成员函数。

记住普通可以调静态，静态调不了普通，原因是静态没有this。

十一、友元

友元破坏封装，尽量少用。

1、友元函数

//类内声明为友元函数
friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
//需要在类外定义
inline ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day << endl;
	return out;
}
inline istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >>d._month >> d._day;
	return in;
}

像流插入和流提取运算符在重载时，根据使用习惯，第一个参数不应是本身，所以将这两个运算符放在类外定义，在类中放入该声明，并在声明前加上friend修饰。让这个函数成为友元函数。

2、友元函数的特点

1、友元函数可以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、友元函数的声明可以放在类中的任意位置，它不受类访问限定符限制

4、一个函数可以是多个类的友元

3、友元类

class Time
{
private:
	friend class Date;//友元声明可以在类中的任意位置
	int _hour;
};

Date类是Time类的友元，这样Date就可以正常访问Time的私有和保护成员。

4、友元类的特点

1、友元没有传递性，比如A是B的友元，B是C的友元，但是不能说A是C的友元。

2、友元关系不能继承。

十二、内部类

1、内部类的大小

class A
{
public:
	class B//B类不在A中
	{
		int b;
	};
private:
	int _a;
};

这里A的大小是4字节。

B是A的内部类，但是B不存储于A的类中。

2、内部类的访问

A::B b;

3、内部类的特点

1、注意B类也会受A类访问限定符的影响

2、B类天生是A类的友元。（B可以偷A的家，但A无法偷B的家）所以内部类也尽量少用。

十三、匿名对象及编译器的优化行为

1、匿名对象

Date();//创建了个匿名对象
Date().Func();//使用匿名对象调用成员函数
Date Func()//使用匿名对象返回
{
	return Date(10);
}

匿名对象的生命周期在这一行。匿名对象具有常性。

2、单参数、多参数的隐式类型转换的优化行为

//日期类略
int main()
{
	//单参数的构造，构造+拷贝，编译器直接优化为构造C++98
	Date d1 = 2022;
	//临时对象具有常性，这里就发生了一次构造，编译器没有优化空间了
	const Date& d2 = 2023;
	//多参数的构造C++11
	Date d3 = { 2022,10,16 };
	return 0;
}

单参数、多参数的构造由构造+拷贝构造优化为直接构造。

3、匿名对象传参时的优化写法

3.1优化前

void Func(Date d)
{
}
int main()
{
	Date d1(2022);//构造
	Func(d1);//传参发生拷贝构造
	return 0;
}

3.2优化后 

void Func(Date d)//形参改成const Date& d也是一种优化
{
 
}
int main()
{
	Func(Date(2022));//使用匿名对象传参，构造+拷贝构造，编译器直接优化为构造
    Func(2022);//隐式类型转换的优化，也是由构造+拷贝构造，编译器直接优化为构造
	return 0;
}

由构造+拷贝构造变成一次构造。

4、编译器对返回值的优化

4.1无优化

Date Func()
{
	Date d(2022);//构造
	return d;//return时拷贝构造一份临时对象
}
int main()
{
	Date ret;
	ret = Func();//使用返回的临时对象进行赋值
	return 0;
}

4.2构造优化

Date Func()
{
	Date d(2022);//构造
	return d;//return时拷贝构造一份临时对象
}
int main()
{
	Date ret = Func();//使用返回的临时对象拷贝构造ret
	return 0;
}

正常的流程如注释所示，需要构造+拷贝构造+拷贝构造，但是编译器会将其优化为构造+拷贝构造。

4.3使用匿名对象极致优化

Date Func()
{
	return Date(2022);//使用2022构造一个临时匿名对象，return时再拷贝构造一份临时对象
}
int main()
{
	Date ret = Func();//使用返回的临时对象进行拷贝构造
	return 0;
}

这样写由构造+拷贝构造+拷贝构造，会被编译器直接优化为构造。是最优的写法。（因为匿名对象的生命周期只在这一行，所以只能传值返回，而不能传引用返回。）