每一个不曾起舞的日子都是对生命的辜负
C++之类和对象下
本节目标
- 1.再谈构造函数
- 2.static成员
- 3.友元
- 4.内部类
- 5.匿名对象
- 6.拷贝对象时的一些编译器优化
- 7.再次理解类和对象
1. 再谈构造函数
1.1 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。
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。
1.2 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)
{}
void Print()
{
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
我们发现，通过初始化列表，就可以将内部成员进行初始化，但问题来了，我们在类和对象中谈到过的构造函数不也可以给他们赋初值吗？
事实上构造函数的确可以给上述类中的内部成员赋值，但是算不上是初始化，只能说是给其一个值让其有相应的内容，即构造函数可以多次给其赋值。然而，有一些类型的成员变量只能初始化一次且不能被再次修改，出现这样的情况就不能用构造函数赋值了，而是要用初始化列表进行初始化。
【注意】
- 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)
- 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, int b)
:_a(a)
,_b(b)
{}
private:
int _a;
int _b;
};
class B
{
public:
B(int a, int ref)
:_aobj(a,ref)
,_ref(ref)
,_n(10)
{}
private:
A _aobj; // 没有默认构造函数
int& _ref; // 引用
const int _n; // const
};
void Test()
{
B b(10,1);
}
我们发现这样是可以给这些成员变量进行初始化的。
对于B类内部成员的初始化，我们用构造函数是行不通的：
- 自定义类型成员没有构造函数
- 引用和const
- 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 Time
{
public:
Time(int hour = 0)
:_hour(hour)
{
cout << "Time()" << endl;
}
private:
int _hour;
};
class Date
{
public:
Date(int day)
{}
private:
int _day;
Time _t;
};
int main()
{
Date d(1);
}
- 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() {
cout<<_a1<<" "<<_a2<<endl;
}
private:
int _a2;
int _a1;
};
int main() {
A aa(1);
aa.Print();
}
A. 输出1 1
B.程序崩溃
C.编译不通过
D.输出1 随机值
即我们发现，在初始化列表中，先初始化的是_a2，此时_a1是随机值，因此初始化列表是按照成员变量的声明顺序的。
- 初始化列表可以与构造函数混用
我们发现，初始化列表就是在构造函数的基础上多了一层初始化的内容，因此对于一些malloc开辟的变量，我们既可以写在初始化列表中，同样的，也可以写在{}中，对于malloc来说，写在{}无疑是最标准的写法，因为需要判断是否开辟成功，这样可以使得代码看起来完整。
1.3 explicit关键字
在提到explicit关键字的功能之前，我们首先要了解到什么是隐式类型转换
1.3.1 隐式类型转换（复习）
对于下述代码：
class Date
{
public:
Date(int year)
:_year(year)
{}
void Print()
{
cout << _year << endl;
}
private:
int _year;
};
int main()
{
Date d1(10);
Date d2 = 10;
d1.Print();
d2.Print();
Date d3(d1);//d3和d4都是拷贝构造
Date d4 = d1;
return 0;
}
通过运行结果得知，给d1和d2的初始化的结果是一样的。对于d1我们不稀奇，因为是利用了初始化列表进行了初始化；而对于d2，却将整形变量赋值给了Date类，这并不是像d3和d4那样的直接拷贝构造，这就涉及到了隐式类型转换：
这个临时变量也是Date类，也就是说，我们先构造了一个临时变量，再将这个临时变量拷贝构造给了d2。
因此，我们看看下面的演示：
因此涉及到转换也一定会涉及到权限的放大和缩小，可见，这些知识都是有关联性的。
即这样就正确了。那这个又和explicit有什么关联呢？
接下来开始介绍explicit：
1.3.2 explicit详解
class Date
{
public:
explicit Date(int year)
:_year(year)
{}
void Print()
{
cout << _year << endl;
}
private:
int _year;
};
int main()
{
Date d1(10);
Date d2 = 10;
const Date& d3 = 10;
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
当我们用explicit修饰单参数的构造函数之后，我们发现其就不支持隐式类型转换。
那么这个有什么作用呢？事实上这个在后面类似于string等容器将会介绍（上面演示的不加explicit修饰的构造函数在需要隐式类型转换时都是构造+拷贝构造，但通过string等容器可以直接拷贝构造）在这里只需要知道：explicit修饰的单参数构造函数不支持隐式类型转换。
1.3.3 扩展知识（explicit修饰多参数的构造函数）
对于单参数构造的explicit来说，C++98就已经支持，但对于多参数构造的explicit来说，直到C++11才支持。C++11是如何进行支持的呢？
答： 通过{}就可以支持。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
:_year(year)
,_month(month)
,_day(day)
{}
void Print() const
{
cout << _year << "/" << _month << "/"<<_day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1 = { 2022,10,14 };
//等价于
Date d2(2022, 10, 14);
const Date& d3 = { 2022,10,14 };
d1.Print();
d2.Print();
d3.Print();
return 0;
}
即与单参数相比，多参数可以像d1、d3一样进行初始化，并且通过explicit修饰之后一样不支持隐式类型转换。
2. static成员
对于static成员变量来说，我们需要创造一个场景去演示其功能并且进行横向的对比分析。
2.1 引入问题：统计创建对象的数量
因此我们引入一个问题，如何统计创建对象的数量？
对于这个问题，我们知道，拷贝构造和构造函数二者都会产生新的对象，比如给函数参数拷贝，返回值拷贝等。那么我们就通过代码来演示一下具体的过程：
//多少个对象？
int N = 0;
class A
{
public:
A(int a = 0)//构造
:_a(a)//初始化列表
{
++N;
}
A(const A& aa)//拷贝构造
:_a(aa._a)//初始化列表
{
++N;
}
private:
int _a;
};
void F1(A aa)
{}
A F2()
{
A aa;
return aa;
}
void F3(A& aa)
{}
int main()//注意创建对象时的序号：1、2、3、4、5、6
{
A aa1(1); // 1
A aa2 = 2; // 2
A aa3 = aa1;// 3
cout << N << endl;
F1(aa1); // 4
cout << N << endl;
F2(); // 5
cout << N << endl;
F3(aa1);// 6
cout << N << endl;
return 0;
}
首先，我们通过一个全局变量N在构造和拷贝构造中进行计数。然后我们先看一下输出结果再分析：
接下来我们开始分析：（从上到下）
- 首先我们知道，对于 aa1来说，运用了一次构造函数，创建了一个对象；对于aa2，我们通过上面的知识知道，其发生了隐式类型转换，即构造+拷贝构造，创建了两个对象；对于aa3，就是普通的拷贝构造，创建了一个对象。因此对于N的第一次打印，应该是1+2+1 = 4次，但我们在输出在中发现，第一次的次数一共是3，发生这个的原因是在aa2的临时变量的构造被优化掉了，因此在编译器看来就是1+1+1=3。
- 继续往下进行对于调用F1函数，其参数进行了一次拷贝，此传参创建了一个对象，因此N第二次打印的是4。
- F2函数经历了两次创建对象，一个是函数内部创建，一个是return时创建的临时变量，故N的第三次打印是6。
- 最后F3函数是传引用，并不会对参数进行拷贝，因此N的第四次打印还是6。
2.2 引入static
那么问题来了，对于N这个全局变量来说，是容易被其他地方修改的，因此N是不安全的，这时就需要static进行修饰，并将其放在类中。
当我们放入时，其就会产生两个问题：第一个问题就是N的初始化，对于static修饰的变量来说，是不能进行缺省值来初始化的，事实上这仅仅是一个声明，因此，我们仍然需要在全局进行初始化，只不过是在类的下面进行这样得初始化：int A::N = 0;；第二个问题，N实际上作为私有值，我们不能直接的访问他，因此我们需要在类中定义一个函数返回N。
此外，还有一个非常重要的理解：对于在类内部static定义的N事实上与其内部的成员函数一样都是公用的，也就是说，创建的所有对象的N的值都是同一个N，因此我们输出时可以通过已经存在的任何一个对象进行访问。（被static修饰的N不存储在类中，意思就是不存储在栈中，而是存储在静态区中）
在这里进行总结static在不同域中的生命周期：
- 全局变量 ： 生命周期是全局，可以随意访问调用
- 局部变量 ：生命周期是全局，在局部变量使用，局部变量外不能使用
- 类中定义 ：生命周期是全局，类只起到限定域的作用（与初窥门径中的命名空间的限定域是一样的）
改进代码：
class A
{
public:
A(int a = 0)//构造
:_a(a)//初始化列表
{
++N;
}
A(const A& aa)//拷贝构造
:_a(aa._a)//初始化列表
{
++N;
}
int GetN()
{
return N;
}
private:
int _a;
static int N;
};
int A::N = 0;
void F1(A aa)
{}
A F2()
{
A aa;
return aa;
}
void F3(A& aa)
{}
int main()
{
A aa1(1);
A aa2 = 2;
A aa3 = aa1;
cout << aa1.GetN() << endl;
F1(aa1);
cout << aa1.GetN() << endl;
F2();
cout << aa1.GetN() << endl;
F3(aa1);
cout << aa1.GetN() << endl;
return 0;
}
最终的结果不变，说明是正确的。
2.3 static修饰成员函数
上述所描述的就是static修饰变量的内容，当然static也可以修饰成员函数，被称之为静态成员函数，就比如上一篇文章提到的日期类中就存在使用static修饰函数的例子，在这里将详细介绍。
那么我们就需要这么一个场景，我们不想创建对象，但是却想访问N，我们可以通过什么方式呢？
对于这个场景来说，我们事实上要规避的是创建对象的负担，即不让N因为创建对象额改变值，其实可以创建之后再将N-1，这样也可以得到N原本的值，但是显得却不那么专业。那么就引入了static修饰的 静态成员函数。
对于静态函数来说，其内部就不存在隐藏的this指针，因此可见静态成员函数也不需要依靠对象访问，直接通过限定域就可以直接进行访问：
class A
{
public:
A(int a = 0)//构造
:_a(a)//初始化列表
{
++N;
}
A(const A& aa)//拷贝构造
:_a(aa._a)//初始化列表
{
++N;
}
static int GetN()
{
return N;
}
private:
int _a;
static int N;
};
int A::N = 0;
void F1(A aa)
{}
A F2()
{
A aa;
return aa;
}
void F3(A& aa)
{}
int main()
{
cout << A::GetN() << endl; //可以这样访问
A aa1(1);
A aa2 = 2;
A aa3 = aa1;
cout << aa1.GetN() << endl;
return 0;
}
即这样就可以解决直接访问N的问题了。
2.4 补充：
不利用static，接着以不创建对象访问N为前提，如果我们不利用GetN函数封装返回N，并且将N变成公有之后，一样可以访问N，但我们这个补充不是为了就将N变成公有，变成公有一般是不可取的，但在这里只是想展示一下通过不创建对象也可以的一种办法：通过创建空指针可以访问public中的N。
class A
{
public:
A(int a = 0)//构造
:_a(a)//初始化列表
{
++N;
}
A(const A& aa)//拷贝构造
:_a(aa._a)//初始化列表
{
++N;
}
private:
int _a;
public:
static int N;
};
int A::N = 0;
int main()
{
A* pa = nullptr;
cout << pa->N << endl;
return 0;
}
这样依旧可以访问。
在这里大家或许会存在疑惑，为什么空指针可以解引用？实际上这并不是解引用，对于空指针来说，也是存在地址的：0x00000000，由于N并不属于成员变量，因此不是解引用去找到成员变量，只是指定类域去访问这个N，就好比限定域一样。
2.5 static特性总结
- 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
- 静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字，类中只是声明
- 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
- 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
- 静态成员也是类的成员，受public、protected、private 访问限定符的限制
【问题】
- 静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？
- 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？
答：和权限的放大缩小相同，因此1可以，2不可以。
3. 友元
在上一章节中已经大致介绍了友元的作用，因此在这里回顾并介绍注意事项
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
3.1 友元函数
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)
{}
// 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
{
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
_cin >> d._year;
_cin >> d._month;
_cin >> d._day;
return _cin;
}
int main()
{
Date d;
cin >> d;
cout << d << endl;
return 0;
}
说明：
- 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
3.2 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。
比如下面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时A的友元。
-
友元关系不能继承。（在后续C++继承中将会介绍）
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;
};
4. 内部类（C++中不太重要、Java中重要）
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：
- 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
- 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。
- sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。
class A
{
private:
static int k;
int h;
public:
class B // B天生就是A的友元
{
public:
void foo(const A& a)
{
cout << k << endl;//OK
cout << a.h << endl;//OK
}
};
};
int A::k = 1;
int main()
{
A::B b;
b.foo(A());
A a;
cout << sizeof(a) << endl; // 4
return 0;
}
5. 匿名对象
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;
// 不能像下面这么定义对象，因为编译器无法识别下面是一个函数声明，还是对象定义
//A aa1();
// 但是我们可以像下面这么定义匿名对象，匿名对象的特点不用取名字，
// 但是他的生命周期只有这一行，我们可以看到下一行他就会自动调用析构函数
A();
A aa2(2);
直接为了一个方法就创建一个对象是有点多余的，因此引用下面的一次性使用的匿名对象
//Solution so;
//so.Sum_Solution(10);
// 匿名对象在这样场景下就很好用，当然还有一些其他使用场景，这个我们以后遇到了再说
Solution().Sum_Solution(10);
return 0;
}
上面的文字已经清晰的解释利用匿名对象的目的就是为了有的方法使用一次时避免重新创建一个对象。
但我们还是需要演示一下匿名对象的特性：用完即销毁。
-
使用前创建
-
使用后直接销毁
6. 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。
内置类型没有构造和拷贝构造，因此不考虑内置类型的优化。
对于编译器的自动优化，在上面2.1的第一次打印N中已经展现，因此，为了程序能够发挥更好的性能，我们就需要主动去触发这些优化场景，下面将对于优化的场景进行展示：
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;
}
A f3()
{
/*A aa(10);
return aa;*/
return A(10);
}
// 《深度探索C++对象模型》中的知识
int main()
{
// 优化场景1
//A aa1 = 1; // A tmp(1) + A aa1(tmp) -> 优化 A aa1(1)
// 优化场景2
//A aa1(1); // 优化前
//f1(aa1);
//f1(A(1)); // 构造 + 拷贝构造 -> 优化 构造 优化后
//f1(1); // 构造 + 拷贝构造 -> 优化 构造 优化后
// 优化场景3
// f2(); // 构造+拷贝构造
//A ret = f2(); // 构造+拷贝构造+拷贝构造 ->优化 构造+拷贝构造
// 优化场景4：
/*A ret; 优化前
ret = f2();*/
A ret = f3(); // 构造+拷贝构造+拷贝构造 -> 优化 -> 构造
return 0;
}
优化场景1：（其正是2.1中的优化场景）即原本为构造临时变量tmp(1)，再通过拷贝构造将tmp(1)拷贝给aa1，但由于这种场景属于优化场景，因此这两次将会被合并成一次。
注：但如果将其分成两部：
A tmp(1); A aa1 = tmp(1);这就不会触发编译器的自动优化场景，因此写法是有讲究的。
优化场景2： 对于优化前，我们知道，这是aa1先构造之后再传入函数中引起参数拷贝构造，但优化后可以看出通过匿名对象不创建对象这个特性，我们就可以将传参的拷贝构造这一步省去，只有构造匿名对象这一步。
优化场景3： 对于这个情景，直接看优化后，我们不难发现，优化掉的是return的临时变量，即将拷贝临时变量这一步进行了优化删除。
优化场景4： 我们发现，场景四利用了所有的优化效果：即通过返回值直接赋值减少了函数返回时临时变量的拷贝，通过匿名对象将创建对象的临时拷贝删去。
7. 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。比如想要让计算机认识洗衣机，就需要：
- 用户先要对现实中洗衣机实体进行抽象—即在人为思想层面对洗衣机进行认识，洗衣机有什么属性，有那些功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程。
- 经过1之后，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认识，只不过此时计算机还不清楚，想要让计算机识别人想象中的洗衣机，就需要人通过某种面相对象的语言(比如：C++、Java、Python等)将洗衣机用类来进行描述，并输入到计算机中。
- 经过2之后，在计算机中就有了一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣机对象进行描述的，通过洗衣机类，可以实例化出一个个具体的洗衣机对象，此时计算机才能洗衣机是什么东西。
- 用户就可以借助计算机中洗衣机对象，来模拟现实中的洗衣机实体了。
在类和对象阶段，大家一定要体会到，类是对某一类实体(对象)来进行描述的，描述该对象具有那些属性，那些方法，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。
8. 总结类和对象
经过四篇很长的博客和几个星期的学习，C++的一血已经被我们拿下了，类和对象的上中下以及日期类四篇博客是一个体系，即需要按照顺序学习才能环环相扣，打出一组漂亮的组合拳。如果这几篇blog对你有帮助的话，别忘了三连支持一下作者哦！
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