C++的学习第二部分

一、程序的内存模型

程序的内存模型：一个将程序运行时使用的内存划分为静态存储区、栈区和堆区（以及常量区、代码区）的抽象布局，用于管理不同生命周期（全局/局部/动态）数据的分配、访问和释放。

1、内存四区

内存四区的意义：根据数据不同的生命周期与用途（持久的全局数据、临时的局部数据、动态分配的灵活数据、只读的指令数据），分别用全局/静态区、栈区、堆区、代码区进行管理，从而兼顾访问效率、动态灵活性与运行安全。

①程序运行前

程序编译后，生成的exe可执行程序，在程序运行前分两个区域：代码区、全局区。

（1）代码区

代码区：用于存储程序编译后的机器指令（即可执行二进制代码）的只读内存区域。

（2）全局区（静态区）

全局区：用于存放全局变量、静态变量以及常量字符串字面量，它在程序启动时分配、结束时释放，并通常划分为已初始化和未初始化两个区域（.data段和.bss段）。

②程序运行后

（1）栈区

栈区：由编译器自动管理，用于存储函数参数、局部变量等，分配释放速度极快但空间有限且生命周期与函数绑定；

⚠️注意：不要返回局部变量的地址，栈区分配的资源由编译器自动释放。

（2）堆区

堆区：由程序员手动控制（new/delete），用于动态分配任意大小的内存，灵活但速度较慢且需谨慎避免内存泄漏。

⚠️注意：

2、new运算符

new运算符：用于在堆区动态分配内存并可选地调用构造函数初始化对象，最终返回该对象的指针。

二、C++的引用

引用：一个已存在变量的别名，它在声明时必须初始化且绑定后不可更改，对引用的操作会直接映射到原变量上。

1、引用的基本语法

语法：数据类型 &别名 = 原名;

2、引用的注意事项

⚠️注意：①引用必须初始化 ②引用初始化后不可以改变

3、引用做函数参数

引用做函数参数：可以实现对实参的直接修改并避免拷贝开销，效果类似指针但语法更简洁安全（函数内对形参的修改即影响实参）。

4、引用做函数返回值

引用做函数返回值：可以避免返回值的拷贝并允许将函数调用用作左值（直接赋值给返回值），但必须确保返回的引用所绑定的变量在函数返回后依然有效（如返回静态变量、全局变量或类成员，不能返回局部变量的引用）。

⚠️注意：不要返回局部变量的引用。 用法：函数调用可作为左值。

5、引用的本质

引用的本质：底层通过指针实现的、自带自动解引用且不可重新绑定的指针常量（Type * const），在编译器层面提供“变量的别名”语义。

6、常量引用

常量引用：一个指向只读数据的别名，它既可以绑定到普通变量（禁止通过引用修改原值），也可以绑定到字面量或临时对象（延长其生命周期），常用于避免拷贝且防止函数内意外修改实参。

在引用中，可以使用const修饰形参，防止形参改变实参。（防止误操作）

三、函数高级

1、函数的默认参数

函数的默认参数：在函数声明时为形参指定默认值，调用时若省略该实参则自动使用默认值，但需遵循“从右向左连续提供”的规则。

⚠️注意：

2、函数的占位参数

函数的占位参数：只指定参数类型而不使用其变量名的形参（如 int），用于满足语法要求（如函数重载、运算符重载）或未来扩展，调用时必须传入对应类型的实参但函数体内部无法使用该值。

3、函数重载

函数重载：在同一作用域内定义多个同名函数，但它们的参数列表（参数个数、类型或顺序）必须不同，编译器根据调用时传入的实参自动匹配对应的函数版本。

函数重载的满足条件：

①同一个作用域下 ②函数名称相同 ③函数参数类型不同或个数不同或顺序不同

⚠️注意：函数的返回值不可以作为函数重载的条件

（1）基本语法

（2）注意事项

①引用作为重载条件

②函数重载碰到函数默认参数

四、类和对象

C++面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

C++认为万事万物皆为对象，对象上有其属性和行为。具有相同性质的对象，我们可抽象称为类，比如人属于人类，车属于车类。

1、封装

封装：将数据和操作数据的函数捆绑在一个类中，并通过访问限定符（如private）隐藏内部实现细节，仅暴露必要的公共接口。

（1）属性和行为作为整体

（2）案例：设计学生类

（3）访问权限

①public公共权限 ②protected保护权限 ③private私有权限

（4）C++中class和struct的区别

唯一区别：默认的访问权限不同。

（5）成员属性设置为私有

（6）设计案例1：设计立方体类

（7）设计案例2：点和圆的关系

两点之间的公式：

分模块化的编写

main.cpp：

point.h：                                         point.cpp：

circle.h：                                                           circle.cpp：

2、对象特性

（1）构造函数和析构函数

构造函数：在创建类的对象时自动调用，主要用于初始化对象的成员变量或分配资源。

析构函数：在销毁对象时自动调用，主要用于清理对象占用的资源（如释放内存、关闭文件）。

如果不提供构造和析构，编译器会自动提供构造和析构，但是一个空实现。

（2）构造函数的分类及调用

构造函数的分类：C++构造函数主要分为默认构造函数（无需参数）、有参构造函数（可包含转换构造函数）、拷贝构造函数（用同类型对象初始化新对象）和移动构造函数（C++11引入，转移资源所有权）。

构造函数的调用：构造函数在对象创建时自动调用（包括定义变量、new创建对象、传值返回/传参时调用拷贝构造），且调用次数等于对象实例化的总数（静态局部对象除外，仅调用一次）。

移动构造函数：C++11 引入的一种特殊构造函数，它通过转移资源所有权而不是复制资源来初始化新对象，从而避免不必要的深拷贝，提升性能。

核心特点：

• 参数是右值引用（ClassName&&）

• 通常标记为 noexcept（不抛出异常）

• 将源对象的资源指针"窃取"过来，并把源对象置于有效但未定义的空状态（如将指针置为 nullptr）

（3）拷贝构造函数的调用时机

拷贝构造函数在对象以值传递方式传入函数、以值返回对象、使用已有对象初始化新对象（包括直接初始化和拷贝初始化）以及放入容器时被调用。

（4）构造函数的调用规则

调用规则：

①如果用户定义有参构造函数，C++不再提供默认无参构造，但会提供默认拷贝构造。

②如果用户定义拷贝构造函数，C++不再提供其他构造函数。

无参、有参、拷贝构造都定义：

结果：

无参、有参构造定义：

结果：

有参构造定义：

结果：

拷贝构造定义：

结果：

（5）深拷贝与浅拷贝

浅拷贝：简单的赋值拷贝操作。

深拷贝：在堆区重新申请空间，进行拷贝操作。

浅拷贝带来的问题：堆区内存重复释放。

浅拷贝带来的问题代码：

浅拷贝带来的问题图示：

解决方法：

总结：

（6）初始化列表

初始化列表：C++构造函数中在函数体执行前以冒号起始、用逗号分隔的成员变量初始化语法，用于直接初始化成员（尤其是const成员、引用成员和基类）。

（7）类对象作为类成员

类对象作为类成员：一个类的成员变量是另一个类的对象，此时构造函数的执行顺序是先构造成员对象（按照它们在类中声明的顺序），再构造自身，而析构顺序则完全相反。

构造函数和析构函数的调用顺序：

其他类的构造➔本类的构造➔本类的析构➔其他类的析构（有多个其他类，按照创建的顺序）

（8）静态成员

静态成员：在成员变量和成员函数前加上static关键字，称为静态成员。

静态成员分为静态成员变量和静态成员函数

静态成员变量：

静态成员函数：

（9）C++对象模型 - 成员变量和成员函数分开存储

test1()测试的Person类没有int A的成员变量，test2()测试的Person类有int A的成员变量。

（10）this指针

this指针：每个非静态成员函数都隐含拥有的、指向当前对象自身的指针常量，用于在成员函数内部区分不同对象的成员变量，并支持链式调用。

技巧：谁调用类成员函数，this指针就指向谁。

this指针的用途：

（11）空指针访问成员函数

C++中空指针也可以调用成员函数，但要注意在函数体内部有没有用到this指针，如果用到，要注意一些坑！

（12）const修饰成员函数

常函数：

常对象：

3、友元

友元：C++提供的一种机制，允许一个类将对其私有和保护成员的访问权授予外部函数或其他类，从而突破封装性。

友元的目的：让一个函数或者类访问另一个类中的私有成员。

友元函数的关键字：friend

（1）全局函数作友元

（2）友元类

（3）成员函数作友元

4、C++运算符重载

C++运算符重载：C++中允许为自定义类型（类）重新定义或扩展已有运算符（如+、-、*、/等）行为的特性，使其能够像内置类型一样支持直观的运算表达。

（1）加号运算符重载

加号运算符重载：C++中通过定义operator+函数，让自定义类的对象之间或对象与基本类型之间支持加法运算（如obj1 + obj2）的语法机制。

（2）左移运算符重载

左移运算符重载：（operator<<）在C++中通常用于自定义类型的输出流操作，通过重载该运算符实现将对象内容便捷地输出到cout等输出流（如cout << obj）。

（3）递增运算符重载

递增运算符重载：（operator++）是C++中为自定义类型实现前置（++obj）或后置（obj++）自增逻辑的机制，通过函数形参表中的伪参数int区分后置版本。

（4）赋值运算符重载

赋值运算符重载：（operator=）是C++中用于定义对象之间赋值（如 obj1 = obj2）行为的成员函数，负责处理深拷贝、自我赋值等逻辑以正确复制资源。

（5）关系运算符重载

关系运算符重载：（如operator==、operator<等）是C++中为自定义类型定义比较逻辑（如判断两个对象是否相等或大小关系）的机制，使其能像内置类型一样支持if (obj1 == obj2)等表达式。

（6）函数调用运算符重载

函数调用运算符重载：（operator()）是C++中允许对象像函数一样被调用（即“仿函数”或函数对象）的机制，通过重载该运算符使类实例支持对象(参数)的语法形式。

小括号的重载：

5、继承

继承：C++中允许一个类（子类）复用另一个类（基类）的成员（数据和函数）的机制，支持代码复用和建立类之间的层次关系。

（1）基本语法

继承的好处：减少重复的代码。

语法：

class 子类：继承方式 父类

子类也叫派生类，父类也叫基类。

（2）继承方式

继承方式：公共继承、保护继承、私有继承

①类的成员访问权限

公有成员：本类的类内、派生类的类内、类外都可以访问。

保护成员：本类的类内、派生类的类内可以访问，但类外不可以访问。

私有成员：只要本类的类内可以访问，派生类的类内、类外都不可以访问。

②类的继承访问权限

基类成员类型	公有继承	保护继承	私有继承
公有成员	在派生类中为公有	在派生类中为保护	在派生类中为私有
保护成员	在派生类中为保护	在派生类中为保护	在派生类中为私有
私有成员	派生类不可访问	派生类不可访问	派生类不可访问

（3）继承中的对象模型

对象模型：派生类对象在内存中会完整包含基类部分的数据成员，并按照继承顺序依次排列，从而通过基类指针或引用可以无缝访问派生类对象中的基类子对象。

①代码查看类的大小

私有成员不可访问，但也被继承下去了。

②命令行查看对象模型

命令：cl /d1 reportSingleClassLayout类名  文件名

（4）构造和析构的顺序

（5）同名成员处理

①访问子类的同名成员，直接访问。

②访问父类的同名成员，添加作用域。

总结：

（6）同名静态成员处理

处理方式与非静态成员同名处理一致。

①访问子类的同名成员，直接访问。

②访问父类的同名成员，添加作用域。

总结：

（7）继承语法

C++允许一个类继承多个类，但实际开发不建议使用多继承。

语法：class 子类：继承方式 父类1, 继承方式 父类2...

总结：

（8）菱形继承问题与解决方法 

菱形继承：C++中一个派生类同时从两个或多个间接基类（它们共同继承自同一个顶级基类）继承，导致该顶级基类在派生类中存在多个副本，从而引发数据冗余和二义性问题。

菱形继承图例：

菱形继承的问题：

菱形继承的示例：

示例代码

查看对象模型

cl /d1 reportSingleClassLayoutTuoSheep "main.cpp"

菱形继承的解决 - 虚继承：

虚继承：解决菱形继承问题而设计的机制，通过在继承时使用 virtual 关键字，使得多个派生类共享同一个基类子对象，从而避免数据冗余和二义性。

对象模型的详解：

Sheep类中的成员vbptr指向vbtable，也就是虚基指针指向虚基表，然后虚基表中存的是指针的偏移量，Sheep的虚基表是8，相当于虚基指针0+8=8，最后指向Animal类的成员m_age，Tuo类同理。

总结：

6、多态

多态：通过基类指针或引用调用虚函数时，程序在运行时根据实际绑定的对象类型动态决定调用哪个函数版本（即“一个接口，多种实现”）的机制。

多态的分类和区别：

（1）多态的基本语法

静态多态：

动态多态：

总结：

（2）多态的原理剖析

静态多态：

由于是空类（1字节），没有虚函数指针和虚函数表，在编译的时候，调用do_speak()时cat被隐式转换为Animal &引用，编译器看到animal.speak()，发现speak不是虚函数则编译时直接绑定到Animal::speak()，所以输出是："动物在说话"。

动态多态：

没有重写的对象模型：

f - function，虚函数指针指向虚函数表。

Cat类存储的函数地址是Animal类的speak()。

有重写的对象模型：

f - function，虚函数指针指向虚函数表。

Cat类存储的函数地址是Cat类的speak()。

存在虚函数指针和虚函数表，在运行的时候，调用do_speak()时cat被隐式转换为Animal &引用，编译器看到animal.speak()，发现speak是虚函数，运行时直接绑定到Cat::speak()，所以输出是："小猫在说话"。

（3）案例一：计算器类

案例描述：

多态的优点：

普通写法：

真实开发中提倡开闭原则，那什么是开闭原则呢，就是对扩展进行开发，对修改进行关闭，换句话说就是需要添加的新功能是原有代码的基础上添加新的代码，而不是去动原来的旧代码。

多态写法：

总结：C++开发提倡利用多态进行程序架构的设计。

（4）纯虚函数和抽象类

纯虚函数：在声明时使用=0语法、无需定义，但可提供实现体，旨在强制派生类必须重写该接口的成员函数。

抽象类：包含至少一个纯虚函数、无法实例化对象，只能作为接口规范供派生类继承使用的类。

（5）案例二：制作饮品

（6）虚析构和纯虚析构

虚析构：为了当用基类指针删除派生类对象时，能按正确顺序（先派生类后基类）调用析构函数，防止资源泄漏。

纯虚析构：为了让抽象类也能拥有虚析构的完整功能，同时强制所有派生类实现自己的析构逻辑（但纯虚析构必须在类外提供函数体，否则链接报错）。

总结：

（7）案例三：电脑组装

思路：

1、创建类

电脑的部件➔CPU抽象类、显卡抽象类、内存条抽象类

电脑类➔组装电脑的部件

厂商➔Intel厂商类（三个部件类）、Lenovo厂商类三个部件类）

2、开始电脑的组装

创建电脑的部件，厂商生产电脑部件（基类的抽象部件指针指向派生类的部件对象），开始制造完整的电脑（电脑类中组装三个部件类），调用电脑类的工作函数让电脑工作起来。

五、文件操作

文件操作：用 <fstream> 中的 ifstream（读）和 ofstream（写）类，像操作 cin/cout 一样，通过 open、>>、<<、close 等函数对硬盘文件进行读写。

文件类型分两种：

①文本文件：文件以文本的ASCII码形式存储在计算机中。

②二进制文件：文件以文本的二进制形式存储在计算机中，用户一般不能直接读懂它们。

操作文件的三大类：①ofstream：写操作 ②ifstream：读操作 ③fstream：读写操作

1、文本文件

（1）写文件

写文件的步骤：

文件的打开方式：

注意：文件打开方式可以配合使用，利用 | 操作符。

总结：

（2）读文件

读文件的步骤：

第一种读取方法：使用operator>>的流式逐词读取（格式化提取）

第二种读取方法：使用getline()的逐行读取（行缓冲提取）。

第三种读取方法：使用std::getline()的C++风格逐行读取（动态行提取）。

第四种读取方法：使用get()的逐字符读取（单字节提取）。

总结：

2、二进制文件

问题：使用string类型的成员变量访问出错。

Person类中包含std::string类型的成员m_name。std::string内部维护着指向堆内存的指针，直接二进制写入时保存的是指针地址，而不是字符串内容，读取时读回一个无效的指针地址，访问时触发内存访问冲突。

解决：使用C风格字符数组，char m_name[10]。

（1）写文件

总结：

（2）读文件

总结：

六、职工管理系统

有待解锁。。。