【C++】类和对象（下）

一、再谈构造函数

1、构造函数赋值

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。

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

虽然上述构造函数调用之后，对象中已经有了一个初始值，但是不能将其称为对对象中成员变量的初始化，构造函数体中的语句只能将其称为赋初值，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。

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2、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 。

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

注意 ：

1. 每个成员变量在初始化列表（同定义）中只能出现一次（初始化只能初始化一次）
2. 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。
• const 成员变量。
• 自定义类型成员（且该类没有默认构造函数时）。

class A
{
public:
    A(int a)
        :_a(a)
    {}
private:
    int _a;
};
 
class B
{
public:
    B(int a, int ref)
        :_aobj(a)
        ,_ref(ref)
        ,_n(10)
    {}
private:
    A _aobj; // 自定义类型成员且没有默认构造函数
    int& _ref; // 引用成员变量
    const int _n; // const成员变量
};

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3、尽量使用初始化列表初始化，因为不管你是否使用初始化列表，对于自定义类型成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
	{
		_a = a;	
	}
private:
	int _a;
};
 
class B
{
public:
	B(int a, int b)
		:_aa(a)
	{
        _aa = A(a);
		_b = b;
	}
    // 尽管没有显示写初始化列表，那么这里也可以认为有初始化列表
    // _aa和_b会使用默认的初始化列表进行初始化，也可以认为初始化列表时成员变量定义的地方
private:
	int _b = 1;
	A _aa;
};
 
int main()
{
	B b(10, 20);
	return 0;
}

可以看到对比函数体内初始化，初始化列表初始化可以提高效率 —— 注意对于内置类型你使用函数体或初始化列表来初始化没有区别；但是对于自定义类型，使用初始化列表是更具有价值的。因为就算你不使用初始化列表，成员也会先用初始化列表初始化一遍。这里还要注意的是函数体内初始化和初始化列表是可以混着用的。 

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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。

class A
{
public:
    A(int a)
        :_a1(a)
        ,_a2(_a1)
    {}
    
    void Print()
    {
        // 先打印_a1，再打印_a2
        cout << _a1 << " " << _a2 << endl; // 1 随机值
    }
private:
    // 先声明_a2，再声明_a1
    int _a2;
    int _a1;
};
 
int main()
{
    A aa(1);
    aa.Print();
    retunr 0;
}

建议声明顺序和初始化列表顺序保持一致，避免出现这样的问题。 

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3、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 或者 除第一个参数无默认值其余均有默认值的构造函数 ，还具有类型转换的作用。

class Date
{
public:
    // 1、单参构造函数，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
    // explicit修饰构造函数，禁止类型转换 -- explicit去掉之后，代码可以通过编译
    explicit Date(int year)
        :_year(year)
    {}
 
    Date& operator=(const Date& d)
    {
        if (this != &d)
        {
            _year = d._year;
            _month = d._month;
            _day = d._day;
        }
        return *this;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
 
void Test()
{
    // 这两种写法一样，但过程不一样：
    Date d1(2023); // 直接调用构造
    
    Date d2 = 2023; // 隐式类型转换：构造 + 拷贝构造 + 优化 -> 直接调用构造
    // 实际编译器背后会先用2023构造一个临时对象，再用这个临时对象去构造d2
    // 最后编译器会进行优化——用2023作为参数直接构造d2，没有调用拷贝构造
}

class Date
{
public:
    // 2、虽然有多个参数，但是创建对象时后两个参数可以不传递，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
    explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
        : _year(year)
        , _month(month)
        , _day(day)
    {}
 
    Date& operator=(const Date& d)
    {
        if (this != &d)
        {
            _year = d._year;
            _month = d._month;
            _day = d._day;
        }
        return *this;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
 
void Test()
{
    // 这两种写法一样，但过程不一样：
    Date d1(2023, 9, 14); // 直接调用构造
    
    // C++11支持多参数的隐式类型转换，写一个花括号把参数括起来
    Date d2 = {2023, 9, 14};
}

上述代码可读性不是很好，用 explicit 修饰构造函数，将会禁止构造函数的隐式转换。

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二、static 成员

1、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。静态成员变量一定要在类外进行初始化。

class A
{
public:
    A()
    {
        ++_scount;
    }
 
    A(const A& t)
    {
        ++_scount;
    }
 
    // 跟全局变量相比，静态成员变量受到类域和访问限定符的限制
    // 更好的体现了封装性，别人不能轻易修改它
    static int GetACount() // 静态成员函数 -- 没有this指针 -- 无法访问_a
    {
        //_a = 1;
        return _scount;
    }
 
private:
    int _a;
    static int _scount; // 声明
};
 
int A::_scount = 0; // 类外初始化（定义）静态成员变量
 
A f(A a)
{
	A ret(a);
	return ret;
}
 
int main()
{
	A a1 = f(A());
	A a2;
	A a3;
	a3 = f(a2);
 
	cout << A::GetCount() << endl; // 8
	cout << a1.GetCount() << endl; // 8
 
	return 0;
}

_scount是私有，怎么访问？

定义一个公有函数 GetACount() 函数，返回 _scount。

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2、特性

1. 静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，存放在静态区。
2. 静态成员变量在编译阶段分配内存。
3. 静态成员变量必须在类外初始化（定义），定义时不添加 static 关键字，类内只是声明。
4. 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。
5. 静态成员也是类的成员，受 public、protected、private 访问限定符的限制。
6. 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，只能访问静态成员变量。类外访问不到私有静态成员函数。

1. 静态成员函数不可以调用非静态成员函数，因为静态成员函数没有 this 指针，无法区分到底是哪个对象的成员。
2. 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数，因为非静态成员函数有 this 指针。

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三、友元

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。

• 友元分为：友元函数和友元类。

1、友元函数

下面代码出现的问题：

        现在尝试去重载 operator<<，然后发现没办法将 operator<< 重载成成员函数。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 指针默认是第一个参数也就是左操作数了。

        但是实际使用中 cout 需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以要将 operator<< 重载成全局函数。但又会导致类外没办法访问成员，此时就需要友元来解决。 operator>> 同理。

class Date
{
public:
    Date(int year, int month, int day)
        : _year(year)
        , _month(month)
        , _day(day)
    {}
 
    // d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
    // 因为成员函数第一个参数一定是隐藏的this，所以d1必须放在<<的左侧    
    ostream& operator<<(ostream& _cout)
    {
        _cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
        return _cout;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

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。

class Date
{
    // 声明
    friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d); //友元，位置可任意，一般是开头
    friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
        : _year(year)
        , _month(month)
        , _day(day)
    {}
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
 
// 流插入 << 运算符重载函数
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
    _cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
    return _cout;  // 返回输出流对象_cout，为了支持连续输出
}
 
// 流提取 >> 运算符重载函数
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
    _cin >> d._year;
    _cin >> d._month;
    _cin >> d._day;
    return _cin; // 返回输出流对象_cin，为了支持连续输入
}
 
int main()
{
    Date d;
    cin >> d;
    cout << d << endl;
    return 0;
}

• 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。
• 友元函数不能用 const 修饰。
• 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。
• 一个函数可以是多个类的友元函数。
• 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同。

cin | cout 怎么接收？ 

在 C++ 里 cout 是一个 ostream 的对象；cin 是一个 istream 的对象。

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2、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。

• 友元关系是单向的，不具有交换性。
• 比如下述 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。
• 友元关系不能传递。如果 C 是 B 的友元， B 是 A 的友元，则不能说明 C 是 A 的友元。
• 友元关系不能继承。

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 = 0, int minute = 0, int second = 0)
        : _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:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
    Time _t;
};

---

四、内部类

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。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访问内部类的成员。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。

注意 ：内部类就是外部类的友元类，参见友元类的定义，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 ：

1. 内部类可以定义在外部类的 public、protected、private 都是可以的。
2. 注意内部类可以直接访问外部类中的 static 成员，不需要外部类的对象 / 类名。
3. sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。

class A
{
private:
    int h;
public:
    // B受A的类域限制
    class B // B天生就是A的友元
    {
    public:
        void foo(const A& a)
        {
            cout << a.h << endl; // 友元
        }
    };
};
 
int A::k = 1;
 
int main()
{
    cout << sizeof(A) << endl; // 4
    A::B b; // 实例化内部类B的对象
    b.foo(A());
    
    return 0;
}

sizeof 在计算 A 类型对象大小的时候，不考虑 B 类。因为 B 作为 A 的内部类，跟普通类没有什么区别，只是定义在 A 的内部，它受到 A 的类域的限制和访问限定符的限制。 

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五、匿名对象

定义对象除了常规的方式还可以定义匿名对象，匿名对象没有名字，它的生命周期只在这一行 。

class A
{
public:
    A(int a = 0)
    :_a(a)
    {
        cout << "A(int a)" << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};
 
class Solution {
public:
    int Sum_Solution(int n)
    {
        //...
        return n;
    }
};
 
int main()
{
    A aa1;
    //A aa1(); // 不能这么定义对象，因为编译器无法识别这是一个函数声明，还是对象定义
 
    A(); // 但是我们可以这么定义匿名对象，匿名对象的特点不用取名字
 
    A aa2(2);
 
    Solution().Sum_Solution(10);
    return 0;
}

---

六、拷贝对象时的一些编译器优化

在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝，这个在一些场景下还是非常有用的。 

class A
{
public:
    A(int a = 0)
    :_a(a)
    {
        cout << "A(int a)" << endl;
    }
    A(const A& aa)
    :_a(aa._a)
    {
        cout << "A(const A& aa)" << endl;
    }
    A& operator=(const A& aa)
    {
        cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
        if (this != &aa)
        {
            _a = aa._a;
        }
        return *this;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};
 
void f1(A aa)
{}
 
A f2()
{
    A aa;
    return aa;
}
 
int main()
{
    // 传值传参
    A aa1;
    f1(aa1);
    cout << endl;
 
    // 传值返回
    f2();
    cout << endl;
 
    // 隐式类型，连续构造+拷贝构造->优化为直接构造
    f1(1);
 
    // 连续构造+拷贝构造->优化为一个构造
    f1(A(2));
    cout << endl;
 
    // 连续拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造
    A aa2 = f2();
    cout << endl;
 
    // 连续拷贝构造+赋值重载->无法优化
    aa1 = f2();
    cout << endl;
    return 0;
}

下面这段代码共调用多少次拷贝构造函数？ -- 7次。

Widget f(Widget u)
{
	Widget v(u);
	Widget w = v;
	return w;
}
main()
{
	Widget x;
	Widget y = f(f(x));
}

如果编译器没有优化就是 9 次，优化后为 7 次。

Widget u, Widget y 都是首次创建对象。

• 在第一次 return w 时是作为 Widget u 的拷贝对象，符合优化条件。
• 在第二次 return w 时是作为 Widget y 的拷贝对象，符合优化条件。

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七、再次理解类和对象

现实生活中的实体计算机并不认识，计算机只认识二进制格式的数据。如果想要让计算机认识现实生活中的实体，用户必须通过某种面向对象的语言，对实体进行描述，然后通过编写程序，创建对象后计算机才可以认识。

在类和对象阶段一定要体会到，类是对某一类实体（对象）来进行描述的，描述该对象具有哪些 属性和方法，描述完成后就形成了一种新的自定义类型，才用该自定义类型就可以实例化 具体的对象。