C++ —— 类和对象（中）

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1. 类的6个默认成员函数

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。
空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器就会自动生成以下6个默认成员函数。
默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

2. 构造函数

2.1 概念

对于以下Date类：

class Date
{
public:
void Init(int year, int month, int day)
{
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
}
void Print()
{
    std::cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << std::endl;
}
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
int main()
{
    Date d1;
    d1.Init(2022, 7, 5);//每次都必须调用，有点麻烦
    d1.Print();
    Date d2;
    d2.Init(2022, 7, 6);
    d2.Print();
    return 0;
}

对于Date类，可以通过Init公有方法给对象设置日期，但如果每次创建对象时都调用该方法设置信息，未免有点麻烦，那能否在对象创建时，就将信息设置进去呢？我们这里就可以使用构造函数。
构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同，创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内都只调用一次。

2.2 特性

构造函数是特殊的成员函数，需要注意的是，构造函数虽然名叫构造，但是构造函数的主要责任并不是开空间创建对象，而是初始化对象。

其特征如下：
1.函数名与类名相同。
2.无返回值。
3.对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。
4.构造函数可以重载。

class Date
{
public:
	//无参构造函数
	Date()
	{
		_year = 1;
		_month = 1;
		_day = 1;
	}

	//带参构造函数
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;//调用无参构造函数
	Date d2(2022, 9, 25);//调用带参的构造函数
	//注意：如果通过无参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则就成了函数声明
	//以下代码的函数：声明了d3函数，该函数无参，返回一个日期类型的对象
	Date d3();
	return 0;
}

5.如果类中没有显示定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。

class Date
{
public:
	//如果用户显示定义了构造函数，编译器将不再生成
	//Date(int year, int month, int day)
	//{
	//	_year = year;
	//	_month = month;
	//	_day = day;
	//}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	//将Date类中构造函数屏蔽后，代码可以通过编译，因为编译器生成了一个无参的默认构造函数
	//将Date类中构造函数放开，代码编译失败，因为一旦显示定义构造函数，编译器将不再生成
	//无参构造函数，放开后报错
	Date d1;

	return 0;
}

6.编译器提供的默认构造函数，不会对内置类型进行处理；对自定义类型，会去调用自定义类型自身的构造函数；

class Time
{
public:
	Time()
	{
		cout << "Time()" << endl;
		_hour = 0;
		_minute = 0;
		_second = 0;
	}

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

class Date
{
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;

	Time _t;
};

int main()
{
	Date d;

	return 0;
}

注意： C++11中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。

class Time
{
public:
	Time()
	{
		cout << "Time()" << endl;
		_hour = 0;
		_minute = 0;
		_second = 0;
	}

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

class Date
{
private:
	int _year = 1;
	int _month = 1;
	int _day = 1;

	Time _t;
};

int main()
{
	Date d;

	return 0;
}

7.无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个，如果有两个会出现二义性。
注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。

3. 析构函数

3.1 概念

通过前面构造函数的学习，我们知道一个对象是怎么来的，那一个对象又是怎么没的呢？
析构函数：与构造函数功能相反，析构函数不是完成对象本身的销毁，局部对象销毁工作是由编译器完成的，而是对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理工作。

3.2 特性

析构函数是特殊的成员函数，其特征如下：
1.析构函数名是在类名前加上字符~；
2.无参数无返回值类型；
3.一个类只能有一个析构函数。若未显式定义，系统会自动生成默认的析构函数。注意：析构函数不能重载。
4.对象生命周期结束时，C++编译系统自动调用析构函数。
5.编译器生成的默认析构函数，对内置类型不处理，对自定义类型调用它的析构函数。

实现：

class Stack
{
public:
	//全缺省构造函数
	Stack(int capacity = 4)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
		
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _size;
};

class Date
{
	//无需提供析构函数，因为当对象销毁时，内置类型也会自动销毁
	//自定义类型会调用其自身的析构函数
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	
	Stack st;
};

int main()
{
	Stack st1;
	Stack st2;
	return 0;
}

注意：对象的构造与析构顺序是根据函数栈帧来判断的，以上面代码为例，st1先创建就先构造，st2后创建就后构造；但由于压栈问题，st1先压栈，st2后压栈，所以st2栈帧在st1的上面，那么析构时，就会先析构栈帧上方的对象，所以先析构st2，在析构st1。

4. 拷贝构造函数

4.1 概念

拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用（一般常用const修饰），在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

4.2 特征

拷贝构造函数也是特殊的成员函数，其特征如下：
1.拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。
2.拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。

class Date
{
public:
	Date(int year = 2022, int month = 9, int day = 25)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}


	//Date(const Date d)//错误写法
	Date(const Date& d)//正确写法
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	Date d2(d1);

	return 0;
}

为什么传值方式调用拷贝构造会引发无穷递归？
原因：
拷贝构造传值调用的形参实际上是实参的一份拷贝，既然是拷贝，那么就会再次调用拷贝构造，这就会形成一个死循环；

3. 若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数的对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫浅拷贝，也叫值拷贝。

class Date
{
public:
	Date(int year = 2022, int month = 9, int day = 25)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	
	//不提供拷贝构造，编译器会自行提供浅拷贝的默认拷贝构造函数

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
	
int main()
{
	Date d1;
	Date d2(d1);
	
	return 0;
}

注意：在编译器生成的默认拷贝构造函数中，内置类型是按照字节方式直接拷贝的，而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的。

4.编译器生成的默认拷贝构造函数已经可以完成字节序的值拷贝了，还需要自己显式实现吗？来看看下面这个类：

class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int capacity = 4)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

	void push_back(int val)
	{
		_a[_size++] = val;
	}

private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _size;
};

int main()
{
	Stack st1;
	st1.push_back(1);
	st1.push_back(2);
	
	Stack st2(st1);
	st1.push_back(3);

	return 0;
}

这个类能否正确进行拷贝呢，运行起来会不会有什么问题呢？
答案是：无法正确进行拷贝，运行起来也会报错！
原因：
编译器提供给我们的默认拷贝构造函数只是浅拷贝形式，何为浅拷贝，简单来说就是将所有变量按字节拷贝到目的对象中，这会导致一个现象：如果源对象在堆上开辟了一块空间，并用指针存储了这块空间的地址，那么拷贝完后，另外一个对象也会拥有这块空间的地址！也就是说它们两个对象共用一块空间，上面st2.push_back(3)就会导致st1和st2都会显示插入了3这个数据量，实际上我们只希望在st2中插入3。这是我们不希望看到的！
我们知道：在对象生命周期结束时，会调用析构函数，那么这里有两个对象，就需要析构两次，但问题是：这两个对象共用一个空间，也就意味着这块空间会被释放两次！（st1析构时释放一次，st2析构时再次释放）当第一次释放这块空间时，我们就失去了这块空间的使用权限，编译器便不允许我们再次释放这块空间！

那么如何解决这个问题呢？
其实很简单，只需要再新的对象开辟一块新空间即可；这种拷贝方式叫深拷贝。

class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int capacity = 4)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

	Stack(const Stack& st)
	{
		//重新开辟一块新空间
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
		memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._size);
		_capacity = st._capacity;
		_size = st._size;
	}

	void push_back(int val)
	{
		_a[_size++] = val;
	}

private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _size;
};

int main()
{
	Stack st1;
	st1.push_back(1);
	st1.push_back(2);
	st1.push_back(3);

	Stack st2(st1);
	st2.push_back(4);

	return 0;
}

5.拷贝构造函数典型调用场景：
使用已存在对象创建新对象；
函数参数类型为类类型对象；
函数返回值类型为类类型对象；

class Date
{
public:
	Date(int year = 2022, int month = 9, int day = 25)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

//返回值为类类型对象
//参数为类类型对象
Date Test(const Date d)
{
	//创建新对象
	Date tmp(d);

	return tmp;
}

注意：为了提高效率，一般对象传参时，尽量使用引用类型，返回时根据实际场景，能用引用尽量用引用。

根据析构函数和拷贝构造函数我们不难看出：只要涉及到在堆上开辟空间的，我们就得自己写析构函数和拷贝构造函数。我们可以得出这样一个结论：需要写析构函数的类，都需要写深拷贝的拷贝函数；不需要#写析构函数的类，编译器默认生成的拷贝构造函数就够用；

5. 赋值运算符重载

5.1 运算符重载

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数， 也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类类型与参数列表与普通的函数类似。
函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。
函数原型：返回值类型 operator 操作符（参数列表）
注意：

不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@
重载操作符必须有一个类类型参数
用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置类型的+，不能改变其含义
作为类成员函数重载时，其参数看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this指针
.* :: sizeof ?: .，以上5个运算符不能重载，这个经常在笔试选择题中出现。

重载日期类的 == 操作符

class Date
{
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	
	//== 运算符重载
	bool operator==(const Date& d)
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}
	
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

5.2 赋值运算符重载

1.赋值运算符重载格式
参数类型： const T& ， 传递引用可以提高传参效率；
返回值类型： T&，返回引用可以提高返回的效率，有返回值目的是为了支持连续赋值；
检测是否自己给自己赋值
返回*this： 要符合连续赋值的含义

class Date
{
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	
	//== 运算符重载
	bool operator==(const Date& d)
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}
	
	//赋值运算符重载
	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;
};

2.赋值运算符只能重载成类的成员函数，不能重载成全局函数
原因：赋值运算符如果不显示实现，编译器会生成一个默认的。此时用户再在类外自己实现一个全局赋值运算符重载，就和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突了，故赋值运算符重载只能是类的成员函数。

3.用户没有显示实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值得方式逐字节拷贝。
注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值。

4.赋值运算符重载与拷贝构造相似，如果涉及堆区资源释放（即需要自己写析构函数），则需要自己写赋值运算符重载，原因与拷贝构造一样，这里不做重复；
以栈 为例：

class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int capacity = 4)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
		if (_a == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}

		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	//拷贝构造
	Stack(const Stack& st)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
		if (_a == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._size);
		_capacity = st._capacity;
		_size = st._size;
	}

	//赋值运算符重载
	Stack& operator=(Stack& st)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
		if (_a == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._size);
		_capacity = st._capacity;
		_size = st._size;

		return *this;
	}

	void push_back(const int val)
	{
		//CheckCapacity();
		_a[_size++] = val;
	}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _size;
};

5.3 前置++ 和后置++ 重载

由于前置++和后置++都是一元运算符，为了让前置++和后置++能够正确重载；C++规定：后置++重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递，编译器自动传递
注意：后置++是先使用后+1，因此需要返回+1之前的旧值，故需要在实现时先将this保存一份，然后再 this+1

以日期类为例：

//前置++
Date& operator++()
{
	*this += 1;
	return *this;
}

//后置++
Date operator++(int)
{
	Date tmp(*this);
	tmp += 1;
	
	return tmp;
}

5.4 赋值重载与拷贝构造的区别

赋值重载：已存在的两个对象之间的拷贝；
拷贝构造：用一个已存在的对象初始化另外一个即将创建的对象；
以栈为例：

class Stack
{
public:
	//构造函数
	Stack(int capacity = 4)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
		if (_a == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}

		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	//拷贝构造
	Stack(const Stack& st)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
		if (_a == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._size);
		_capacity = st._capacity;
		_size = st._size;

		cout << "拷贝构造" << endl;
	}

	//赋值运算符重载
	Stack& operator=(Stack& st)
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(int) * st._capacity);
		if (_a == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		memcpy(_a, st._a, sizeof(int) * st._size);
		_capacity = st._capacity;
		_size = st._size;

		cout << "赋值重载" << endl;
		return *this;
	}

	void push_back(const int val)
	{
		//CheckCapacity();
		_a[_size++] = val;
	}

	//析构函数
	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_capacity = _size = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _size;
};

int main()
{
	Stack st1;
	st1.push_back(1);
	st1.push_back(2);

	Stack st2(st1);

	Stack st3;
	st3 = st1;

	return 0;
}

注意：下面这种情况编译器会默认为拷贝构造，而非赋值重载

Stack st4 = st1;

原因：st4 是一个即将创建的对象，而st1是一个已存在的对象，这种情况更符合拷贝构造；

6. const成员

将const修饰的"成员函数"称之为const成员函数， const修饰类成员函数，实际修饰该成员函数隐含的this指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改；

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

	//const成员函数
	//相当于 bool operator==(const Date* this, const Date& d)
	bool operator==(const Date& d) const
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

注意：
1. const对象不可以调用非const成员函数；
2. 非const对象可以调用const成员函数；
3. const成员函数内不可以调用其他的非const成员函数；
4. 非const成员函数内可以调用其他的const成员函数；

例如：下述代码就会报错

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

	//非const成员函数
	bool operator==(const Date& d) 
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}

	//const成员函数
	bool operator!=(const Date& d) const 
	{
		//在const成员函数内不能调用非const成员函数
		return !(*this == d);
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

7. 取地址及const取地址操作符重载

这两个默认成员函数一般不用重新定义，编译器默认会生成。

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	
	Date* operator&()
	{
		return this;
	}

	const Date* operator&() const
	{
		return this;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

这两个运算符一般不需要重载，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需要重载，比如想让别人获取到指定的内容！

8.总结

1. C++的类中会有6个默认成员函数，如果你不写，编译器会默认提供；如果写了，编译器则不会提供；
2. 默认构造函数包括：全缺省构造函数、无参构造函数、编译器默认提供的构造函数。
3， 如果类中不涉及在堆区开辟空间，则不需要显式提供析构函数；否则需要自己提供析构函数；
4. 编译器提供的构造函数和析构函数，对内置类型不进行处理，对自定义类型调用其自身的构造与析构；
5. 拷贝构造分为浅拷贝和深拷贝，编译器默认提供浅拷贝；需要手动提供析构函数的，都需要采用深拷贝；不需要提供析构函数的，编译器提供的就够用；
6. 运算符重载不能创造新的运算符，也不能改变运算符的含义，其目的是增强代码可读性；
7. 赋值运算符重载与拷贝构造类似，编译器默认提供浅拷贝，如果需要手动提供析构函数，则也需要手动提供赋值运算符重载；
8. 赋值运算符是用一个已存在的对象去初始化一个即将创建的对象；拷贝构造是两个已经存在的对象之间的拷贝；
9. 如果可以，尽可能多的使用const修饰成员函数；