C++类和对象下
1、初始化列表
再来看我们之前写的构造函数：
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
之前我们实现构造函数时，初始化成员变量主要使用函数体内赋值，但构造函数初始化还有一种方式，就是初始化列表，初始化列表的使用方式是以一个冒号开始，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。如下：
class Date
{
public:
// 初始化列表：对象的成员定义的位置
Date(int year, int month, int day)
:_year(year)
,_month(month)
,_day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
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)
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)。
先来看引用成员变量、const成员变量:
#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
public:
Test(int a, int b, int& c)
{
_a = a;
// 这里报错说明到构造函数体内时，成员变量已经定义出来了
_b = b;
_c = c;
}
private:
int _a;
const int _b;
int& _c;
};
int main()
{
int x = 3;
Test test(1, 2, x);
return 0;
}
代码编译后报错，这是因为const成员变量和引用成员变量都有一个共同的特征：定义的时候必须初始化。而构造函数体已经不算初始化了，其实算是赋值。那么在哪里初始化呢？——初始化列表
改用下面的写法，就可以通过编译：
class Test
{
public:
// 初始化列表：对象的成员定义的位置
Test(int a, int b, int& c)
:_a(a)
,_b(b)
,_c(c)
{}
private:
int _a;
const int _b; // 定义时必须初始化
int& _c; // 定义时必须初始化
};
int main()
{
int x = 3;
// 对象整体定义
Test test(1, 2, x);
return 0;
}
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。
接下来再加入自定义类型成员变量，前面构造函数我们讲过：对于自定义类型的成员变量，会在初始化列表调用自定义类型的构造函数，并且不管你写还是不写构造函数，都会在初始化列表去调用自定义类型的构造函数。所以对于自定义类型成员变量必须有默认构造函数（不用参数就可以调用的：编译器生成的、无参的、全缺省的）。如果没有默认构造函数就会报错，那么我们就需要在初始化列表手动调用自定义类型成员的构造函数，如下：
class A
{
public:
// A中没有默认构造函数
A(int a)
{
cout << "A()" << endl;
_aa = a;
}
private:
int _aa;
};
class Test
{
public:
// 初始化列表：对象的成员定义的位置
Test(int a, int b, int& c)
:_a(a)
,_b(b)
,_c(c)
,_aa(1) // 手动调用_aa的构造函数，不然A中没有默认构造函数会报错。
{}
private:
int _a;
const int _b; // 定义时必须初始化
int& _c; // 定义时必须初始化
A _aa; // 没有默认构造函数，需要在初始化列表初始化。
};
int main()
{
int x = 3;
// 对象整体定义
Test test(1, 2, x);
return 0;
}
C++11通过打补丁的方式，可以给成员变量缺省值，这样如果在初始化列表没有对成员变量进行初始化，就会用缺省值，反之给了值进行初始化，就会用所给的值。如下：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
// A中没有默认构造函数
A(int a)
{
cout << "A()" << endl;
_aa = a;
}
private:
int _aa;
};
class Test
{
public:
// 初始化列表：对象的成员定义的位置
Test(int a, int b, int& c)
:_a(a) // 由于这里给了值，就用所给的值，不再使用缺省值。
,_c(c)
,_aa(1) // 手动调用_aa的构造函数，不然没有默认构造会报错。
{}
private:
int _a = 20; // C++11可以给缺省值
const int _b = 10; // C++11可以给缺省值
int& _c; // 定义时必须初始化
A _aa; // 没有默认构造函数，需要在初始化列表初始化。
};
int main()
{
int x = 3;
// 对象整体定义
Test test(1, 2, x);
return 0;
}
接下来看使用初始化列表的一个样例：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
{
cout << "A(int a = 0)" << endl;
_a = a;
}
A(const A& aa)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
_a = aa._a;
}
A& operator=(const A& aa)
{
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
_a = aa._a;
return *this;
}
private:
int _a;
};
class Date
{
public:
//虽然我们没有写初始化列表，但是初始化列表是成员变量定义
//的地方，_aa会在初始化列表定义的地方调用默认构造函数
// 不使用初始化列表
//Date(int year, int month, int day, const A& aa)
//{
// _aa = aa;
// _year = year;
// _month = month;
// _day = day;
//}
// 使用初始化列表 少一次构造
Date(int year, int month, int day, const A& aa)
:_aa(aa)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
A _aa;
};
int main()
{
A aa;
Date d1(2022, 1, 19, aa);
return 0;
}
在这个地方，使用初始化列表可以少一次构造。
解释：不使用初始化列表时：先构造对象aa，然后再Date类构造函数的初始化列表会自动调用A的构造函数来初始化_aa，之后再对_aa=aa进行赋值，总共是两次构造，一次赋值运算符重载。
当使用初始化列表时：先构造对象aa，然后直接在初始化列表拷贝构造_aa，两次构造。所以使用初始化列表可以优化。
内置类型的成员，在函数体和在初始化列表初始化都是可以的
自定义类型的成员，建议在初始化列表初始化，这样更高效，参考上面例子的对比
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
再来看一段代码，仔细思考输出什么？
A.输出1 1
B.程序崩溃
C.编译不通过
D.输出1 随机值
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();
}
答案是D。解释：根据第4点，初始化列表的初始化顺序只与声明有关，我们先声明_a2，所以先用_a1来初始化_a2，而这时候_a1是随机值，所以_a2就是随机值。然后再用1来初始化_a1。跟初始化列表写的顺序没有关系。所以建议：写初始化列表的时候，按照声明次序来写，这样不容易混。
总结：
1、每个成员变量在初始化列表中只能出现一次，语法理解上初始化列表可以认为是每个成员变量定义初始化的地方。
2、引用成员变量，const成员变量，没有默认构造的类类型变量，必须放在初始化列表位置进行初始化，否则会编译报错。
3、C++11支持在成员变量声明的位置给缺省值，这个缺省值主要是给没有显示在初始化列表初始化的成员使用的。
4、尽量使用初始化列表初始化，因为那些你不在初始化列表初始化的成员也会走初始化列表，如果这个成员在声明位置给了缺省值，初始化列表会用这个缺省值初始化。如果你没有给缺省值，对于没有显示在初始化列表初始化的内置类型成员是否初始化取决于编译器，C++并没有规定。对于没有显示在初始化列表初始化的自定义类型成员会调用这个成员类型的默认构造函数，如果没有默认构造会编译错误。
5、初始化列表中按照成员变量在类中声明顺序进行初始化，跟成员在初始化列表出现的的先后顺序伍关。建议声明顺序和初始化列表顺序保持⼀致。
2、类型转换和explicit关键字
2.1、初步认识类型转换
来看下面这两行代码，在把a赋值给b的时候其实发生了隐式类型转换，实际上先把10给一个临时对象，然后再把这个临时对象赋值给b。
int a = 10;
double b = a;
那么再来看下面的代码：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
{
_a = a;
cout << "A()" << endl;
}
A(const A& a)
{
_a = a._a;
cout << "A(const A& a)" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A a1;
A a2 = 2;
return 0;
}
在A a2 = 2；这一行中，实际上也发生了隐式类型转换。具体逻辑是：先用2构造一个临时对象（整形向类型A发生转换），然后用这个临时对象拷贝构造a2。
但是！！！！这种连续的构造+拷贝构造会被编译器优化，编译器直接优化成一个构造。就是用2来直接构造a2。
再来看下面的两行代码：
A& ra1 = 2; // error
const A& ra2 = 2; // true
第一行代码编译报错，因为这时候发生隐式类型转换，用2来构造一个临时对象，而前面我们说过，临时对象是右值（不可修改，C++11会对左值和右值进行讲解）所以ra1相当于权限的放大，本来是只读的临时对象，变成了可读可写的ra1，这样是不允许的。
第二行代码可以通过编译，因为这时候是常引用，ra2也是只读的，相当于权限的平移，是允许的。
2.2、explicit关键字
构造函数前面加explicit就不再支持隐式类型转换。
还是前面的代码，区别是我们在构造函数前面加上explicit关键字。
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
explicit A(int a = 0)
{
_a = a;
cout << "A()" << endl;
}
A(const A& a)
{
_a = a._a;
cout << "A(const A& a)" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A a1;
A a2 = 2;
return 0;
}
编译后报错：
由于加了explicit关键字，禁止了类型转换，所以A a2 = 2；这行代码无法通过编译。因为这行代码上是整形向类型A发生转换。
由此可以看出类型转换还是很重要的，比如下面使用string容器（STL容器的内容，会在之后进行讲解。）
#include <iostream>
using std::cin;
using std::cout;
class string
{
public:
string(const char* str)
{
// ...
}
};
class list
{
public:
void push_back(const string& s)
{
//...
}
};
int main()
{
string s1("张三"); // 正常写法
string s2 = "张三"; // 这里就发生了类型转换
// list是stl容器，本质上是双向链表，接下来模拟链表插入。
list lt;
lt.push_back(s1); // 正常写法
lt.push_back("李四"); // 这么写也是发生了类型转换
// 上面转换类似前面：const A& ra2 = 2;
return 0;
}
所以一般情况下，我们都不会用到explicit关键字。但是后面的智能指针需要用到，这个我们到C++11再讲。
3、匿名对象
用类型(实参)定义出来的对象叫做匿名对象，相比之前我们定义的类型 对象名(实参)定义出来的叫有名对象。
匿名对象生命周期只在当前一行，一般临时定义一个对象当前用一下，就可以定义匿名对象。
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "A(int a = 0)" << endl;
}
private:
int _a;
};
class Solution
{
public:
int Sum_Solution(int n)
{
//...
return n;
}
};
int main()
{
A a1(1); // 普通对象，生命周期在当前函数
A(1); // 匿名对象，生命周期在当前行
A a2(); // 不能这么定义对象，因为无法与函数声明区分
cout << Solution().Sum_Solution(10) << endl; // 在这种场景下很方便使用。
A& ra1 = A(1); // error->匿名变量具有常性
const A& ra2 = A(1); // true->权限的平移
return 0;
}
上面的A& ra1 = A(1)；是错误的，匿名对象具有常性。而用const引用延长了匿名对象的生命周期，此时生命周期在当前函数。
4、对象拷贝时编译器优化
前面我们讲了：连续的构造+拷贝构造编译器会优化成一个构造。
还有一种情况：连续的拷贝构造+拷贝构造也会被编译器优化成一个拷贝构造，如下：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "A(int a = 0)" << endl;
}
A(const A& a)
{
cout << "A(const A& a)" << endl;
_a = a._a;
}
private:
int _a;
};
A Func()
{
A a;
return a;
}
int main()
{
A aa = Func();
return 0;
}
分析：本来应该是：先构造对象a，然后对象a返回时先拷贝构造一个临时对象，再用这个临时对象拷贝构造aa，共有一次构造、两次拷贝构造。但是这里返回时编译器优化了，对于连续的拷贝构造，直接优化成一次拷贝构造。所以拷贝构造只打印了一次。
再来看一道题目，分析总共有多少次构造（包含拷贝构造函数）：
class Widget
{
public:
Widget()
{
cout << "Widget()" << endl;
}
Widget(const Widget&)
{
cout << "Widget(const Widget&)" << endl;
}
Widget& operator=(const Widget&)
{
cout << "Widget& operator=(const Widget&)" << endl;
return *this;
}
~Widget()
{
cout << "~Widget()" << endl;
}
};
Widget f(Widget u)
{
return u;
}
int main()
{
Widget x;
Widget y = f(x);
f(Widget());
return 0;
}
分析：首先构造x，然后x拷贝构造u，返回u时应该是两次拷贝构造，编译器优化成一次拷贝构造。再看f(Widget())；首先构造临时对象，然后临时对象拷贝构造u，这里连续的构造+拷贝构造直接优化成一个构造，然后返回有一次拷贝构造。所以构造函数（包括拷贝构造）总共调了5次。
编译运行后如图：
再看下面这道题目：分析调用了几次构造函数（包含拷贝构造函数）？
Widget f(Widget u)
{
Widget v(u);
Widget w = v;
return w;
}
int main()
{
Widget x;
Widget y = f(f(x));
return 0;
}
分析：首先构造x，然后用x拷贝构造u，再用u拷贝构造v，用v拷贝构造w，返回值作为函数参数再传给u，本来应该是先用w拷贝构造一个临时对象，然后再用这个临时对象拷贝构造u，但是这里两个连续的拷贝构造被编译器优化成一次拷贝构造，目前有5次。继续往下看，用u拷贝构造v，用v拷贝构造w，返回时应该先用w拷贝构造临时对象，再用临时对象拷贝构造y，这里又被优化成一次拷贝构造。总共就是5+3=8次。
5、static成员
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。
特征：
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. 静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字，类中只是声明
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
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，受public、protected、private 访问限定符的限制
6. 静态成员变量不能在声明位置给缺省值初始化，因为缺省值是给构造函数初始化列表的，静态成员变量不属于某个对象，不走构造函数初始化列表。
面试题：实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象。
正常来写，我们可以定义一个全局变量，然后在类内的构造和拷贝构造函数让这个全局变量++，只要有新对象创建就会++，然后在析构函数中让全局变量–，只要销毁对象就会–。
#include <iostream>
using namespace std;
int cnt = 0;
class A
{
public:
A() { cnt++; }
A(const A& a) { cnt++; }
~A() { cnt--; }
};
int main()
{
A a1, a2;
A a3(a1);
cout << cnt << endl;
return 0;
}
但是这种方式不好，因为在任何位置都可以修改cnt的值。我们改而使用下面这种方式：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A() { _scount++; }
A(const A& a) { _scount++; }
~A() { _scount--; }
static int GetACount() { return _scount; }
private:
static int _scount;
};
int A::_scount = 0; // 必须在类外初始化
int main()
{
cout << A::GetACount() << endl; // 第一种方法突破类域
A a1, a2;
A a3(a1);
cout << a1.GetACount() << endl; // 第二种方法突破类域
return 0;
}
由于_scount是私有的，所以我们对外提供一个获取_scount的接口GetACount，并且该接口是静态的。需要注意的是，在静态成员方法里面是不能访问任何非静态的成员变量和方法，因为要访问任何非静态成员变量和方法需要有隐藏的this指针，而静态成员方法中是没有隐藏的this指针的。并且访问静态成员变量和静态成员方法只需要突破类域即可：可以用上面的两种方法。且在非静态的成员方法中是可以访问任何静态成员变量和方法的。
接下来做一道题：求1+2+3+…+n_牛客题霸_牛客网
这道题实际上用的就是上面的方式，代码如下：
class Sum
{
public:
Sum()
{
_i++;
_ret += _i;
}
static int GetRet(){
return _ret;
}
private:
static int _i;
static int _ret;
};
int Sum::_i = 0;
int Sum::_ret = 0;
class Solution {
public:
int Sum_Solution(int n) {
Sum a[n];
return Sum::GetRet();
}
};
拓展：
1、设计一个类，在类外只能在栈上创建对象。
2、设计一个类，在类外只能在堆上创建对象。
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
static A GetStackObj()
{
A aa;
return aa;
}
static A* GetHeapObj()
{
return new A; // new运算符创建对象，下一篇就会讲。
}
private:
A()
{}
private:
int _a1 = 1;
int _a2 = 2;
};
int main()
{
A a = A::GetStackObj();
A* p = A::GetHeapObj();
return 0;
}
直接将构造函数私有，这样在类外既不能在栈上创建，也不能在堆上创建。然后根据需要提供Get接口让外面获取。要注意这里Get接口必须是静态方法，不然外面必须要有对象才能调用（这样就变成了先有鸡还是先有蛋的问题了）。
6、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。
6.1、友元函数
问题：对于上篇我们写的Date类，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。
#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
// 调用时: ostream& operator<<(const Date* const this, ostream& out)
ostream& operator<<(ostream& out) const
{
out << _year << "-" << _month << "-" << _day;
return out;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024, 10, 18);
d1 << cout; // -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
return 0;
}
所以直接将流插入重载在全局，又由于成员变量是私有的，只能声明重载函数为Date类的友元函数。这样重载函数就可以访问Date类内的私有成员变量了。
#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{
// 声明
friend ostream& operator<<(ostream& out, const 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;
};
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return out;
}
int main()
{
Date d1(2024, 10, 18);
cout << d1 << endl;
return 0;
}
说明：
1、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。
2、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
3、一个函数可以是多个类的友元函数
4、友元函数不能用const修饰（没有this指针）
6.2、友元类
1、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。
2、友元关系是单向的，不具有交换性。
3、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。
4、友元关系不能继承，在继承位置再给大家详细介绍。
在下面的代码中：在Time类中声明了Date类为Time类的友元类，那么在Date类中就可以访问Time类的所有非公有成员。但是在Time类中不能访问Date类的非共有成员，同点2：友元关系是单向的。如果想在Time类中访问Date类的非公有成员，就需要在Date类中声明：friend class Time;
class Time
{
// 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
friend class Date;
public:
Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
: _hour(hour)
, _minute(minute)
, _second(second)
{}
void f(Date d);
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)
{
_t._hour = 0;
_t._minute = 0;
_t._second = 0;
}
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;
};
7、内部类
内心os：写了好久，终于写到这里了，要写吐了，最后一个内容了。
概念：如果一个类定义在另一个类的内部，这个类就叫做内部类。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。
计算下面A类的大小？根据点3，不计算内部类，静态成员变量存储在静态区也不计算，所以sizeof(A)=4
class A
{
private:
static int k;
int h;
//public:
class B
{
public:
void foo()
{
}
private:
int b;
};
};
int A::k = 1;
int main()
{
cout << sizeof(A) << endl;
return 0;
}
如下：内部类B和在全局定义是基本一样的，只是它受外部类A类域限制,定义在A的类域中。内部类B天生就是A的友元类，所以B可以直接访问A类中的静态成员变量和方法，例如k。但是如果访问非静态非公有成员变量需要有A类对象。而A类并不是B类的友元类，所以即便A类方法中有B类对象，也不能访问B类的非公有成员变量。
通俗来讲就是：B可以访问A的私有，A不能访问B的私有。
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
}
private:
int b;
};
};
int A::k = 1;
int main()
{
cout << sizeof(A) << endl;
A::B b;
b.foo(A());
return 0;
}
对于友元函数和友元类有个记忆技巧：我成为你的友元（朋友），我就可以访问你。
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