C++类和对象（三）

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前言

本篇文章是「类和对象」的第三篇，是对类和对象的一个收尾和补充。

前三篇链接如下：

• C++深入浅出（一）—— 类和对象（上）
• C++深入浅出（一）—— 类和对象（中）

1. 再谈构造函数

🍑 构造函数体赋值

在创建对象时，编译器通过调用构造函数，给对象中各个成员变量一个合适的初始值。

📝 代码示例

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
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这里需要注意：

虽然上述构造函数调用之后，对象中已经有了一个初始值，但是不能将其称作为类对象成员的初始化，构造函数体中的语句只能将其称作为赋初值，而不能称作初始化。

因为初始化只能初始化一次，而构造函数体内可以多次赋值。

📝 代码示例

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year; // 第一次赋值
		_year = 2022; // 第二次赋值
		//......
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
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以上就是在构造函数，对 _year 变量就行了两次赋值。

🍑 初始化列表

初始化列表：以一个 :（冒号） 开始，接着是一个以 ,（逗号）分隔的数据成员列表，每个 成员变量 后面跟一个放在括号中的初始值或表达式。

📝 代码示例

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2022, 9, 1);


	return 0;
}
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我们可以通过调试看一下

🍑 特性

🍅 特性一

（1）每个成员变量在初始化列表中只能出现一次（初始化只能初始化一次）

因为初始化只能进行一次，所以同一个成员变量在初始化列表中不能多次出现。

🍅 特性二

类中包含以下成员，必须放在初始化列表位置进行初始化

• 引用成员变量

class Date
{
private:
	int& _year; // 引用成员变量只能在定义时初始化
};
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引用类型的变量在定义时就必须给其一个初始值，所以引用成员变量必须使用初始化列表对其进行初始化。

• const 成员变量

class Date
{
private:
	cont int _month; // const成员变量
};
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被 const 修饰的变量也必须在定义时就给其一个初始值，也必须使用初始化列表进行初始化。

• 自定义类型成员（该类没有默认构造函数）

class A
{
private:
	int _a;
};

class Date
{
private:
	A _aa; // 自定义类型成员变量
};
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若一个类没有默认构造函数，那么我们在实例化该类对象时就需要传参对其进行初始化，所以实例化没有默认构造函数的类对象时必须使用初始化列表对其进行初始化。

如下，在 A 类里面并没有对内置类型 _a 进行赋值，那么在 B 类里面就要对自定义类型的 _aa 进行初始化列表初始化。

// A类
class A
{
public:
	A(int x)
		:_a(x)
	{}
private:
	int _a;
};

// B类
class B
{
public:
	B(int a, int ref)
		:_aa(a)
		, _ref(ref)
		, _n(10) 
	{}
private:
	A _aa; // 没有默认构造函数
	int& _ref; // 引用
	const int _n; // const 
};
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比如下面这种情况，默认构造函数是指不用传参就可以调用的构造函数

// A类
class A //该类没有默认构造函数 
{
public:
	A(int val) //注：这个不叫默认构造函数（需要传参调用）
	{
		_val = val;
	}
private:
	int _val;
};

// B类
class B
{
public:
	B()
		:_a(2021) //必须使用初始化列表对其进行初始化
	{}
private:
	A _a; //自定义类型成员（该类没有默认构造函数）
};
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总结一下：在定义时就必须进行初始化的变量类型，就必须放在初始化列表进行初始化。

🍅 特性三

（3）尽量使用初始化列表初始化

因为初始化列表实际上就是当你实例化一个对象时，该对象的成员变量定义的地方，所以无论你是否使用初始化列表，都会走这么一个过程（成员变量需要定义出来）。

严格来说：

对于内置类型，使用初始化列表和在构造函数体内进行初始化实际上是没有差别的，其差别就类似于如下代码：

// 使用初始化列表
int a = 10

// 在构造函数体内初始化（不使用初始化列表）
int a;
a = 10;
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对于自定义类型，使用初始化列表可以提高代码的效率：

// Time类
class Time
{
public:
	Time(int hour = 0)
	{
		_hour = hour;
	}
private:
	int _hour;
};

// Test类
class Test
{
public:
	// 使用初始化列表
	Test(int hour)
		:_t(12)// 调用一次Time类的构造函数
	{}
private:
	Time _t;
};
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对于以上代码，当我们要实例化一个 Test 类的对象时，我们使用了初始化列表，在实例化过程中只调用了一次 Time 类的构造函数。

我们若是想在不使用初始化列表的情况下，达到我们想要的效果，就不得不这样写了：

// Time类
class Time
{
public:
	Time(int hour = 0)
	{
		_hour = hour;
	}
private:
	int _hour;
};

// Test类
class Test
{
public:
	// 在构造函数体内初始化（不使用初始化列表）
	Test(int hour)
	{ //初始化列表调用一次Time类的构造函数（不使用初始化列表但也会走这个过程）
		Time t(hour);// 调用一次Time类的构造函数
		_t = t;// 调用一次Time类的赋值运算符重载函数
	}
private:
	Time _t;
};
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这时，当我们要实例化一个 Test 类的对象时，在实例化过程中会先在初始化列表时调用一次 Time 类的构造函数，然后在实例化 t 对象时调用一次 Time 类的构造函数，最后还需要调用了一次 Time 类的赋值运算符重载函数，效率就降下来了。

🍅 特性四

（4）成员变量在类中声明次序就是其在初始化列表中的初始化顺序，与其在初始化列表中的先后次序无关

int i = 0;

class Test
{
public:
	Test()
		:_b(i++)
		, _a(i++)
	{}
	void Print()
	{
		cout << "_a:" << _a << endl;
		cout << "_b:" << _b << endl;
	}
private:
	int _a;
	int _b;
};

int main()
{
	Test test;
	test.Print(); 
	return 0;
}
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打印结果 _a 为 0，_b 为 1

代码中，Test 类构造函数的初始化列表中成员变量 _b 先初始化，成员变量 _a 后初始化，按道理打印结果是 _a 为 1，_b 为 0。

但是初始化列表的初始化顺序是：成员变量在类中声明次序，所以最终 _a 为 0，_b 为 1。

🍑 explicit 关键字

构造函数不仅可以构造与初始化对象，对于单个参数的构造函数，还具有隐式类型转换的作用。

#include 
using namespace std;

class Date
{
public:
	Date(int year = 0) //单个参数的构造函数
		:_year(year)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _year << endl;
	}
private:
	int _year;
};

int main()
{
	Date d1 = 2021; //支持该操作
	d1.Print();
	return 0;
}
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打印可以看下结果

在语法上，代码中 Date d1 = 2021 等价于以下两句代码：

int main()
{
	Date tmp(2021); //先构造
	Date d1(tmp); //再拷贝构造

	d1.Print();
	return 0;
}
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运行看下结果

所以在早期的编译器中，当编译器遇到 Date d1 = 2021 这句代码时，会先构造一个临时对象，再用临时对象拷贝构造 d1。

但是现在的编译器已经做了优化，当遇到 Date d1 = 2021 这句代码时，会按照 Date d1(2021) 这句代码处理，这就叫做 隐式类型转换。

实际上，我们早就接触了隐式类型转换，只是我们不知道而已，以下代码也叫隐式类型转换：

int main()
{
	int a = 20;
	double b = a;

	cout << "a=" << a << endl;
	cout << "b=" << b << endl;

	return 0;
}
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在这个过程中，编译器会先构建一个 double 类型的临时变量接收 a 的值，然后再将该临时变量的值赋值给 b。

这就是为什么函数可以返回局部变量的值，因为当函数被销毁后，虽然作为返回值的变量也被销毁了，但是隐式类型转换过程中所产生的临时变量并没有被销毁，所以该值仍然存在。

但是，对于单参数的自定义类型来说，Date d1 = 2021 这种代码的可读性不是很好，我们若是想禁止单参数构造函数的隐式转换，可以用关键字 explicit 来修饰构造函数。

class Date
{
public:
	explicit Date(int year)
		:_year(year)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2018);
	d1 = 2019;

	return 0;
}
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此时，运行的话就会编译不通过

2. static成员

🍑 概念

声明为 static 的类成员称为类的静态成员。

用 static 修饰的成员变量，称之为静态成员变量，用 static 修饰的成员函数，称之为静态成员函数。

静态的成员变量一定要在类外进行初始化

🍑 特性

🍅 特性一

（1） 静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的实例

首先，我们来看以下代码

class Test
{
private:
	int _n;
};

int main()
{
	cout << sizeof(Test) << endl;
	return 0;
}
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运行以后会看到，结果是 4

如果我们把 _n 设置为 静态成员 呢？

class Test
{
private:
	static int _n;
};

int main()
{
	cout << sizeof(Test) << endl;
	return 0;
}
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可以看到，Test 类的大小为 1。

因为静态成员 _n 是存储在静态区的，属于整个类，也属于类的所有对象。

所以计算类的大小或是类对象的大小时，静态成员并不计入其总大小之和。

🍅 特性二

（2）静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加 static 关键字

代码示例：

class Date
{
private:
	static int _year;
	static int _month;
};

// 静态成员变量的定义初始化
int Date::_year = 1;
int Date::_month = 1;
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🍅 特性三

（3）类静态成员即可用 类名::静态成员 或者 对象.静态成员 来访问

class Date
{
public:
	static void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << endl;
	}
private:
	static int _year;
	static int _month;
};

int Date::_year = 2022;
int Date::_month = 10;

int main()
{
	Date d1;

	d1.Print(); // 对象.静态成员

	Date::Print(); // 类名::静态成员
	return 0;
}
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运行结果：

🍅 特性四

（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

class Date
{
public:
	static void Print()
	{
		cout << _year << endl; 
		cout << _month << endl; //不能访问非静态成员
	}
private:
	static int _year;
	int _month;
};

int Date::_year = 2022;

int main()
{
	Date d1;

	d1.Print(); // 对象.静态成员

	return 0;
}
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可以看到，运行起来会报错

含有静态成员变量的类，一般含有一个静态成员函数，用于访问静态成员变量。

🍅 特性五

（5）访问静态成员变量的方法

当静态成员变量为公有时，有以下几种访问方式

class Date
{
public:
	static int _year;
};

//静态成员变量的定义初始化
int Date::_year = 2022;

int main()
{
	Date d1;

	cout << d1._year << endl; // 1.通过类对象突破类域进行访问
	cout << Date()._year << endl; // 2.通过匿名对象突破类域进行访问
	cout << Date::_year << endl; // 3.通过类名突破类域进行访问

	return 0;
}
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运行结果：

当静态成员变量为私有时，有以下几种访问方式

class Date
{
public:
	static int GetYear()
	{
		return _year;
	}
private:
	static int _year;
};

//静态成员变量的定义初始化
int Date::_year = 2022;

int main()
{
	Date d1;

	cout << d1.GetYear() << endl; // 1.通过对象调用成员函数进行访问
	cout << Date().GetYear() << endl; // 2.通过匿名对象调用成员函数进行访问
	cout << Date::GetYear() << endl; // 3.通过类名调用静态成员函数进行访问

	return 0;
}
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运行结果：

🍅 特性六

（6）静态成员和类的普通成员一样，也有 public、protected、private 这 3 种访问级别，也可以具有返回值

所以当静态成员变量设置为private时，尽管我们突破了类域，也不能对其进行访问。

🍑 思考

问题一：静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？

不可以。
 
因为非静态成员函数的第一个形参默认为 this 指针，而静态成员函数中没有 this 指针，故静态成员函数不可用非静态成员函数。

问题二：非静态成员函数可以调用静态成员函数吗？

可以。
 
因为静态成员函数和非静态成员函数都在类中，在类中不受访问限定符的限制。

3. C++11的成员初始化新玩法

C++11 支持非静态成员变量在声明时进行 初始化赋值，但是要注意这里不是初始化，这里是 给声明的成员变量缺省值。

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << a << endl;
		cout << p << endl;
	}
private:
	// 非静态成员变量，可以在成员声明时给缺省值。
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(4);

	// 静态成员变量不能给缺省值
	static int n;
};

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

	return 0;
}
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可以运行看下结果

注意：初始化列表是成员变量定义初始化的地方，若是给定了值，就用所给的值对成员变量进行初始化；若没有给定值，则用缺省值进行初始化；若是没有缺省值，则内置类型的成员就是随机值。

4. 友元

友元分为：友元函数 和 友元类。

友元提供了一种突破封装的方式，有时提供了便利。

但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以友元不宜多用。

🍑 友元函数

我们都知道 C++ 的 << 和 >> 很神奇，因为它们能够自动识别输入和输出变量的类型，我们使用它们时不必像 C 语言一样增加数据格式的控制。

实际上，这一点也不神奇，内置类型的对象能直接使用 cout 和 cin 输入输出，是因为库里面已经将它们的 << 和 >> 重载好了，<< 和 >> 能够自动识别类型，是因为它们之间构成了函数重载。

我们现在尝试重载 operator<<，但是我们发现没办法将其重载为成员函数。

#include 
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;

class Date
{
public:
    Date(int year, int month, int day)
        : _year(year)
        , _month(month)
        , _day(day)
    {}

    std::ostream& operator<<(std::ostream& out)
    {
        out << _year << "-" << _month << "-" << _day;
        return out;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
    Date d(2017, 12, 24);
    cout << d;

    return 0;
}
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我们发现是编译不通过的

为什么呢？

因为 cout 的输出流对象和隐含的 this 指针在抢占第一个参数的位置。this 指针默认是 operator<< 第一个参数，即左操作数，如果我们修改成 d << cout 就可以正常运行了

但是这样写是不是很怪？因为实际使用中 cout 需要是第一个形参对象才能正常使用。

所以我们要将 operator<< 重载为全局函数，但是这样的话，又会导致类外没办法访问成员，那么这里就需要 友元 来解决。（ operator>> 同理）

友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在类的内部声明，声明时需要加 friend 关键字。

来看看修改过后的代码

class Date
{
	//友元函数
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Date& d); // 标准流输出 --> printf
	friend std::istream& operator>>(std::istream& in, Date& d); // 标准流插入 --> scanf
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

// <<运算符重载---输入
ostream& operator<<(std::ostream& out, const Date& d) {
	out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day << endl;
	return out;
}

// >>运算符重载---输出
istream& operator>>(std::istream& in, Date& d) {
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}


int main()
{
	Date d;
	cin >> d;
	cout << d << endl;
	return 0;
}
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运行看下结果

注意：其中 cout 是 ostream 类的一个全局对象，cin 是 istream 类的一个全局变量，<< 和 >> 运算符的重载函数具有返回值是为了实现连续的输入和输出操作。

🍑 特性

友元函数说明：

1. 友元函数可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. 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制。
4. 一个函数可以是多个类的友元函数。
5. 友元函数的调用与普通函数的调用和原理相同。

🍑 友元类

友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的非公有成员。

class Date; // 前置声明

class Time
{
	friend class Date; // 声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
public:
	Time(int hour, int minute, int second)
		: _hour(hour)
		, _minute(minute)
		, _second(second)
	{}

private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _second;
};

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
	{
		// 直接访问时间类私有的成员变量
		_t._hour = hour;
		_t._minute = minute;
		_t._second = second;
	}
private:
	// 内置类型成员
	int _year;
	int _month;
	int _day;

	// 自定义类型成员
	Time _t;
};
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🍑 特性

友元类说明：

（1）友元关系是单向的，不具有交换性。

比如上述 Time 类和 Date 类，在 Time 类中声明 Date 类为其友元类，那么可以在 Date 类中直接访问 Time 类的私有成员变量，但想在 Time 类中访问 Date 类中私有的成员变量则不行。

（2）友元关系不能传递

如果 B 是 A 的友元，C 是 B 的友元，则不能说明 C 是 A 的友元。

5. 内部类

🍑 概念

概念：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。

如下所示，我在 A 类里面定义了一个 B 类：

// 内部类
class A
{
private:
	static int k;
	int h;

public:
	// 内部类
	class B // B天生就是A的友元，在B里面可以直接访问A的私有成员
	{
	public:
		void Print(const A& a)
		{
			cout << k << endl; // 可以直接访问静态成员
			cout << a.h << endl; // 也可以访问普通成员
		}
	private:
		int _b;
	};
};

int A::k = 1;

int main()
{
	A a; // 定义a对象

	A::B bb; // 定义bb对象
	bb.Print(a); // 把a对象传给bb对象，打印
	return 0;
}
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那么我直接可以在 B 类里面访问 A 类的私有成员：

但是我不能在 A 类里面访问 B 类的私有成员，因为 A 不是 B 的友元。

注意：

• 此时这个内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去调用内部类。
• 外部类对内部类没有任何优越的访问权限。
• 内部类就是外部类的友元类。那么内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。

🍑 特性

🍅 特性一

（1）内部类可以定义在外部类的 public、protected、private 这三个区域中的任一区域。

🍅 特性二

（2）注意内部类可以直接访问外部类中的 static、枚举成员，不需要外部类的对象或类名。

🍅 特性三

（3）sizeof(外部类) = 外部类，和内部类没有任何关系。

#include 
using namespace std;

class A //外部类
{
public:
	class B //内部类
	{
	private:
		double _b;
	};
private:
	int _a;
};

int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl; //外部类的大小

	return 0;
}
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可以看到这里外部类 A 的大小为 4，与内部类的大小无关。

6. 再次理解封装

C++ 是基于面向对象的程序，面向对象有三大特性即：封装、继承、多态。

• 通过 类，将一个对象的属性与行为结合在一起，使其更符合人们对于一件事物的认知，将属于该对象的所有东西打包在一起；

• 通过 访问限定符 选择性的将其部分功能开放出来与其他对象进行交互，而对于对象内部的一些实现细节，外部用户不需要知道，知道了有些情况下也没用，反而增加了使用或者维护的难度，让整个事情复杂化。

下面举个例子来让大家更好的理解封装性带来的好处，比如：乘火车出行。

我们来看下 火车站：

售票系统： 负责售票 → 用户凭票进入，对号入座。

工作人员： 售票、咨询、安检、保全、卫生等。

火车： 带用户到目的地。

如下图所示👇

火车站中所有工作人员配合起来，才能让大家坐车有条不紊的进行，不需要知道火车的构造，票务系统是如何操作的，只要能正常方便的应用即可。

想想下，如果是没有任何管理的开放性站台呢？火车站没有围墙，站内火车管理调度也是随意，乘车也没有规矩，比如下面这样：

7. 理解面向对象

可以看出面向对象其实是在 模拟抽象映射现实世界。