• C++：类和对象（三）

    本文主要介绍初始化列表、static成员、友元、内部类、匿名对象、拷贝对象时编译器的优化。

    目录

    一、再谈构造函数

    1.构造函数体赋值

    2.初始化列表

    3.explicit关键字

    二、static成员

    1.概念

    2.特性

    三、友元

    1.友元函数

    2.友元类

    四、内部类

    五、匿名对象

    六、拷贝对象时的一些编译器优化

    一、再谈构造函数

    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。

    1. class Date
    2. {
    3. public:
    4.     Date(int year, int month, int day)
    5.     {
    6.         _year = year;
    7.         _month = month;
    8.         _day = day;
    9.     }
    10. private:
    11.     int _year;
    12.     int _month;
    13.     int _day;
    14. };

    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。

    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。

    （初始化列表可以认为是成员变量定义的地方）

    1. class Date
    2. {
    3. public:
    4. 	Date(int year, int month, int day)
    5. 		: _year(year)
    6. 		, _month(month)
    7. 		, _day(day)
    8. 	{}
    9. private:
    10. 	int _year;
    11. 	int _month;
    12. 	int _day;
    13. };

    注意点：

    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)

    引用成员变量 和 const成员变量：

    成员变量定义后不能更改，所有在定义时就必须给其一个初始值。

    自定义类型成员：

    自定义成员变量没有默认构造函数，在定义该成员变量时则需要传参来对其初始化。

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. 	A(int a)
    5. 		:_a(a)
    6. 	{}
    7. private:
    8. 	int _a;
    9. };
    10. class B
    11. {
    12. public:
    13. 	B(int a, int ref)
    14. 		:_custom(a)
    15. 		, _ref(ref)
    16. 		, _n(10)
    17. 	{}
    18. private:
    19. 	A _custom;  // 没有默认构造函数
    20. 	int& _ref;  // 引用
    21. 	const int _n; // const 
    22. };

    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。

    1. class Time
    2. {
    3. public:
    4. 	Time(int hour = 0)
    5. 		:_hour(hour)
    6. 	{
    7. 		cout << "Time()" << endl;
    8. 	}
    9. private:
    10. 	int _hour;
    11. };
    12. class Date
    13. {
    14. public:
    15. 	Date(int day)
    16. 	{}
    17. private:
    18. 	int _day;
    19. 	Time _t;
    20. };
    21. int main()
    22. {
    23. 	Date d(1);
    24. 	return 0;
    25. }

    内置类型成员，在函数体内和初始化列表初始化都可以。

    自定义成员在初始化列表初始化更高效。

    （不使用初始化列表：）

    1. class Time
    2. {
    3. public:
    4. 	Time(int hour = 0)
    5. 		:_hour(hour)
    6. 	{
    7. 		cout << "Time()" << endl;
    8. 	}
    9. private:
    10. 	int _hour;
    11. };
    12. class Date
    13. {
    14. public:
    15. 	Date(int day,int hour)
    16. 	{//初始化列表调用Time的构造函数
    17. 		Time t(hour);//调用Time的构造函数
    18. 		_t = t;//调用赋值运算符重载
    19. 	}
    20. private:
    21. 	int _day;
    22. 	Time _t;
    23. };
    24. int main()
    25. {
    26. 	Date d(1,2);
    27.  
    28. 	return 0;
    29. }

    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

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4.     A(int a)
    5.         :_a1(a)
    6.         , _a2(_a1)
    7.     {}
    8.  
    9.     void Print() 
    10.     {
    11.         cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
    12.     }
    13. private:
    14.     int _a2;
    15.     int _a1;
    16. };
    17. int main() 
    18. {
    19.     A aa(1);
    20.     aa.Print();
    21. }

    输出结果：

    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。

    1. class Date
    2. {
    3. public:
    4. 	// 1. 单参构造函数，没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
    5. 	 // 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
    6. 	explicit Date(int year)
    7. 		:_year(year)
    8. 	{}
    9. 	/*
    10. 	// 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，
    11.     //没有使用explicit修饰，具有类型转换作用
    12. 	// explicit修饰构造函数，禁止类型转换
    13. 	explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
    14. 	: _year(year)
    15. 	, _month(month)
    16. 	, _day(day)
    17. 	{}
    18. 	*/
    19. 	Date& operator=(const Date& d)
    20. 	{
    21. 		if (this != &d)
    22. 		{
    23. 			_year = d._year;
    24. 			_month = d._month;
    25. 			_day = d._day;
    26. 		}
    27. 		return *this;
    28. 	}
    29. private:
    30. 	int _year;
    31. 	int _month;
    32. 	int _day;
    33. };
    34. void Test()
    35. {
    36. 	Date d1(2022);
    37. 	// 用一个整形变量给日期类型对象赋值
    38. 	// 实际编译器背后会用2023构造一个无名对象，最后用无名对象给d1对象进行赋值
    39. 	d1 = 2023;
    40. 	// 将1屏蔽掉，2放开时则编译失败，因为explicit修饰构造函数，
    41.     //禁止了单参构造函数类型转换的作用
    42. }

    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。

    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。

    实现一个类，计算程序中创建出了多少个类对象：

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. 	A() //构造函数
    5. 	{ 
    6. 		++_scount; 
    7. 	}
    8. 	A(const A& t) //拷贝构造函数
    9. 	{ 
    10. 		++_scount; 
    11. 	}
    12. 	~A() //析构函数
    13. 	{ 
    14. 		--_scount; 
    15. 	}
    16. 	static int GetACount() //静态成员函数
    17. 	{ 
    18. 		return _scount; 
    19. 	}
    20. private:
    21. 	static int _scount;
    22. };
    23.  
    24. int A::_scount = 0;//静态成员变量初始化
    25.  
    26. void TestA()
    27. {
    28. 	cout << A::GetACount() << endl;
    29. 	A a1, a2;
    30. 	A a3(a1);
    31. 	cout << A::GetACount() << endl;
    32. }

    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

    问题：

    1. 静态成员函数可以调用非静态成员函数吗？

    2. 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？

    1.不可以。静态成员函数没有隐藏的this指针，非静态成员函数的一定参数为this指针。

    2.可以。静态成员函数属于整个类，不受访问限定符的限制。

    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

    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。

    1. class Date
    2. {
    3. public:
    4.     Date(int year, int month, int day)
    5.         : _year(year)
    6.         , _month(month)
    7.         , _day(day)
    8.     {}
    9.     // d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
    10.     // 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
    11.     ostream& operator<<(ostream& _cout)
    12.     {
    13.         _cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
    14.         return _cout;
    15.     }
    16. private:
    17.     int _year;
    18.     int _month;
    19.     int _day;
    20. };

    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。

    1. class Date
    2. {
    3. 	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
    4. 	friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
    5. public:
    6. 	Date(int year = 2023, int month = 9, int day = 9)
    7. 		: _year(year)
    8. 		, _month(month)
    9. 		, _day(day)
    10. 	{}
    11. private:
    12. 	int _year;
    13. 	int _month;
    14. 	int _day;
    15. };
    16. ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
    17. {
    18. 	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
    19. 	return _cout;
    20. }
    21. istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
    22. {
    23. 	_cin >> d._year;
    24. 	_cin >> d._month;
    25. 	_cin >> d._day;
    26. 	return _cin;
    27. }
    28. int main()
    29. {
    30. 	Date d;
    31. 	cin >> d;
    32. 	cout << d << endl;
    33. 	return 0;
    34. }

    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

    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。

    1.友元关系是单向的，不具有交换性。

    比如上述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。

    （我是你的友元类，即你的就是我的，我的还是我的）

    2.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。

    3.友元关系不能继承

    1. class Time
    2. {
    3.     friend class Date;   // 声明日期类为时间类的友元类，
    4.                     //则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
    5. public:
    6.     Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
    7.         : _hour(hour)
    8.         , _minute(minute)
    9.         , _second(second)
    10.     {}
    11.  
    12. private:
    13.     int _hour;
    14.     int _minute;
    15.     int _second;
    16. };
    17. class Date
    18. {
    19. public:
    20.     Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
    21.         : _year(year)
    22.         , _month(month)
    23.         , _day(day)
    24.     {}
    25.  
    26.     void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
    27.     {
    28.         // 直接访问时间类私有的成员变量
    29.         _t._hour = hour;
    30.         _t._minute = minute;
    31.         _t._second = second;
    32.     }
    33.  
    34. private:
    35.     int _year;
    36.     int _month;
    37.     int _day;
    38.     Time _t;
    39. };

    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。

    1. class A
    2. {
    3. private:
    4.     static int k;
    5.     int h;
    6. public:
    7.     class B // B天生就是A的友元
    8.     {
    9.     public:
    10.         void GetTest(const A& a)
    11.         {
    12.             cout << k << endl;//OK
    13.             cout << a.h << endl;//OK
    14.         }
    15.     };
    16. };
    17. int A::k = 1;
    18. int main()
    19. {
    20.     A::B b;
    21.     b.GetTest(A());
    22.  
    23.     return 0;
    24. }

    五、匿名对象

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. 	A(int a = 0)
    5. 		:_a(a)
    6. 	{
    7. 		cout << "A(int a)" << endl;
    8. 	}
    9. 	~A()
    10. 	{
    11. 		cout << "~A()" << endl;
    12. 	}
    13. private:
    14. 	int _a;
    15. };
    16. class Solution {
    17. public:
    18. 	int Sum_Solution(int n) {
    19. 		//...
    20. 		return n;
    21. 	}
    22. };
    23. int main()
    24. {
    25. 	A aa1;
    26. 	// 不能这么定义对象，因为编译器无法识别下面是一个函数声明，还是对象定义
    27. 	//A aa1();
    28. 	// 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，
    29. 	// 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
    30. 	A();
    31. 	A aa2(2);
    32. 	// 匿名对象在这样场景下就很好用
    33. 	Solution().Sum_Solution(10);
    34. 	return 0;
    35. }

    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。

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. 	A(int a = 0)
    5. 		:_a(a)
    6. 	{
    7. 		cout << "A(int a)" << endl;
    8. 	}
    9. 	A(const A& aa)
    10. 		:_a(aa._a)
    11. 	{
    12. 		cout << "A(const A& aa)" << endl;
    13. 	}
    14. 	A& operator=(const A& aa)
    15. 	{
    16. 		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
    17. 		if (this != &aa)
    18. 		{
    19. 			_a = aa._a;
    20. 		}
    21. 		return *this;
    22. 	}
    23. 	~A()
    24. 	{
    25. 		cout << "~A()" << endl;
    26. 	}
    27. private:
    28. 	int _a;
    29. };
    30. void f1(A aa)
    31. {}
    32. A f2()
    33. {
    34. 	A aa;
    35. 	return aa;
    36. }
    37. int main()
    38. {
    39. 	// 传值传参
    40. 	A aa1;
    41. 	f1(aa1);
    42. 	cout << endl;
    43. 	// 传值返回
    44. 	f2();
    45. 	cout << endl;
    46. 	// 隐式类型，连续构造+拷贝构造->优化为直接构造
    47. 	f1(1);
    48. 	// 一个表达式中，连续构造+拷贝构造->优化为一个构造
    49. 	f1(A(2));
    50. 	cout << endl;
    51. 	// 一个表达式中，连续拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造
    52. 	A aa2 = f2();
    53. 	cout << endl;
    54. 	// 一个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载->无法优化
    55. 	aa1 = f2();
    56. 	cout << endl;
    57. 	return 0;
    58. }
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