三、类和对象进阶

构造函数

变量 初始化
全局变量 如果程序员在声明变量时没有进行初始化，
则系统自动为其初始化为0。
这个工作在程序启动时完成。
局部变量 系统不进行自动初始化，
所以它的处置需要靠程序员给定。
如果程序员没有设定，
则是一个随机值。
  • 为了对对象进行初始化，c++提供了一种称为构造函数的机制，用于对对象进行初始化，实际上是用来为成员变量赋初值的。
  • 构造函数是类中的特殊成员函数，它属于类的一部分。给出类定义时，由程序员编写构造函数。如果程序员没有编写类的任何构造函数，则由系统自动添加一个不带参数的构造函数。
  • 声明对象后，可以使用new运算符为对象进行初始化，此时调用的是对象所属类的构造函数。构造函数的作用是完成对象的初始化工作，用来保证对象的初始状态是确定的。在对象生成时，系统自动调用构造函数，用户在程序中不会直接调用构造函数。

构造函数的定义

定义一个类时，需要为类定义相应的构造函数。构造函数的函数名与类名相同，没有****返回值****。一个类的构造函数可以有多个，即****构造函数允许重载。同一个类的多个构造函数的参数表一定不能完全相同。

构造函数的声明格式如下：

类名(形参1, 形参2, ..., 形参n);
  • 在声明类的构造函数时可以同时给出函数体，这样的构造函数称为内联函数。也可以在类体外给出构造函数的定义。构造函数的声明中，形参的个数可以为0，即参数表为空。
  • 当类中没有定义任何构造函数时，系统会自动添加一个参数表为空、函数体也为空的构造函数，称为默认构造函数。所以任何类都可以保证至少有一个构造函数。
  • 如果程序员在程序中已经定义了构造函数，则系统不会再添加默认构造函数。

假设类的成员变量有三个，则在类体外定义构造函数时通常有如下3中形式：

//方式一
//使用带入的参数值通过初始化列表为各成员变量赋初值
Student::Student(int sno, int age, string name):_sno(sno), _age(age), _name(name) {
    
}
//或者
//使用固定值在初始化列表中为个成员变量赋初值
Student::Student():_sno(11111), _age(13), _name("slh") {

}

//方式二
Student::Student(int sno, int age, string name) {
    _sno = sno;
    _age = age;
    _name = name;
}

//方式三
Student::Student() {
    _sno = 12345;
    _age = 12;
    _name = "tyg";
}

再比如类Student已经声明了下列4个构造函数：

class Student {
public:
    Student();
    Student(int);
    Student(int, int);
    Student(int, int, string);
    void printStudent();
private:
    int _sno;
    int _age;
    string _name;
};

在类体外定义构造函数

Student::Student():_sno(12321), _age(23), _name("df") {
    
}
Student::Student(int sno):_age(12), _name("dfs") {
    _sno = sno;
}
Student::Student(int sno, int age):_name("dsf") {
    _sno = sno;
    _age = age;
}
Student::Student(int sno, int age, string name) {
    _sno = sno;
    _age = age;
    _name = name;
}

构造函数的使用

C++语言规定，创建类的任何对象时都一定会调动构造函数进行初始化。对象需要占据内存空间，生成对象时，为对象分配的这段内存空间的初始化由构造函数完成。

特别地，如果程序中声明了对象数组，即数组的每个元素都是一个对象，则一定要为对象所属的这个类定义一个无参的构造函数。因为数组中每个元素都需要调用无参的构造函数进行初始化，所以必须要有一个不带参数的构造函数。

复制构造函数与类型转换构造函数

复制构造函数是构造函数的一种，也称为拷贝构造函数。它的作用是使用一个已存在的对象去初始化另一个正在创建的对象。例如，类对象间的赋值是由复制构造函数实现的。

复制构造函数只有一个参数，参数类型是****本类的引用。复制构造函数的参数可以是const引用，也可以是非const引用。一个类中可以写两个复制构造函数，一个函数的参数是const引用，另一个函数的参数是非const引用。这样，当调用复制构造函数时，既能以常量对象（初始化后值不能改变的对象）作为参数，也能以非常量对象作为参数去初始化其他对象。对于类A而言，复制构造函数的原型如下：

//格式一
A::A(const A &)
//格式二
A::A(A &)

例如：

//复制构造函数
Student::Student(Student &s) {
    _sno = s._sno;
    _age = s._age;
    _name = s._name;
}
Student::Student(const Student &s) {
    _sno = s._sno;
    _age = s._age;
    _name = s._name;
}

自动调用复制构造函数的情况有以下3种：

  1. 当用一个对象去初始化本类的另一个对象时，会调用复制构造函数。例如，使用下列形式的说明语句时，即会调用复制构造函数。
    1. 类名 对象名2(对象名1);
    2. 类名 对象名2 = 对象名1;
  2. 如果函数F的参数是类A的对象，那么当调用F时，会调用类A的复制构造函数。换句话说，作为形参的对象，是用复制构造函数初始化的，而且调用复制构造函数时的参数，就是调用函数时所给的实参。
  3. 如果函数的返回值是类A的对象，那么当函数返回时，会掉用类A的复制构造函数。也就是说，作为函数返回值的对象是用复制构造函数初始化的，而调用复制构造函数时的实参，就是return语句所返回的对象。

注意：
在复制构造函数的参数表中，加上const是更好的做法。这样复制构造函数才能接收常量对象作为参数，即才能以常量对象作为参数去初始化别的对象。

析构函数

  • 与构造函数一样，析构函数也是成员函数的一种，它的名字也与类名相同，但要在类名前面加一个~字符，以区别于构造函数。析构函数没有参数，也没有返回值。一个类中有且仅有一个析构函数，如果成员中没有定义析构函数，则编译器自动生成默认的析构函数。析构函数不可以多于一个，不会有重载的析构函数。默认析构函数的函数体为空。
  • 创建对象时自动调用构造函数，那么，什么时候调用析构函数呢？可想而知，在对象消亡时自动调用析构函数。析构函数的作用是做一些善后处理的工作。例如，如果在创建对象时使用new运算符动态分配了内存空间，则在析构函数中应该使用delete释放掉这部分占用的空间，保证空间可再利用。
  • 当使用new运算符生成对象指针时，自动调用本类的构造函数。使用delete删除这个对象时，首先为这个动态对象调用本类的析构函数，然后再释放这个动态对象占用的内存。 
Student::~Student() {
    cout << "student对象被释放了" << endl;
}

类的静态成员

  • 与C语言一样，可以使用static说明自动变量。根据定义的位置不同，分为静态全局变量和静态局部变量。

  • 全局变量是指在所有花括号之外声明的变量，其作用域范围是全局可见的，即在整个项目文件内都有效。使用static修饰的全局变量是静态全局变量，其作用域有所限制，仅在定义该变量的源文件内有效，项目中的其他源文件中不能使用它。

  • 块内定义的变量是局部变量，从定义之处开始到本块结束处为止是局部变量的作用域。使用static修饰的局部变量是静态局部变量，即定义在块中的静态变量。静态局部变量具有局部作用域，但却具有全局生存期。

  • 静态局部变量具有局部作用域，但却具有全局生存期。也就是说，静态局部变量在程序的整个运行期间都存在，它占据的空间一直到程序结束时才释放，但仅在定义它的块中有效，在块外并不能访问它。

  • 静态变量均存储在全局数据区，静态局部变量只执行一次初始化。如果程序未显式给出初始值，则相当于初始化为0；如果显式给出初始值，则在该静态变量所在块第一次执行时完成初始化。

  • 类的静态成员有两种：静态成员变量和静态成员函数。在类体内定义类的成员时，在前面添加static关键字后，该成员即成为静态成员。

  • 类的静态成员被类的所有对象共享，不论有多少对象存在，静态成员都只有一份保存在公用内存中。对于静态成员变量，各对象看到的值是一样的。

  • 定义类静态成员变量时，在类定义中声明静态成员变量，然后必须在类体外定义静态成员变量的初值。这个初值不能在类体内赋值。

  • 给静态成员变量赋初值的格式如下：

    类型 类名::静态成员变量 = 初值;

注意：
在类体外为静态成员变量赋初值时，前面不能加static关键字，以免和一般的静态变量想混淆。在类体外定义成员函数时，前面也不能加static关键字。

访问静态成员时，成员前面既可以用类名作前缀，也可以使用对象名或对象指针作前缀。这与访问类成员时仅能使用对象名或对象指针作前缀是不同的。

//访问类静态成员的一般格式如下：
类名::静态成员名
//或者
对象名.静态成员名
//或者
对象指针->静态成员名

类的静态成员函数没有this指针，不能在静态成员函数内访问非静态的成员，即通常情况下，类的静态成员函数只能处理类的静态成员变量。惊天成员函数内也不能调用非静态成员函数。

  • 对于普通成员变量，每个对象有各自的一份，而****静态成员变量只有一份，被同类所有对象共享。
  • 普通成员函数一定是作用在某个对象上的，而静态成员函数并不具体作用在某个对象上。
  • 访问普通成员时，要通过对象名.成员名等方式，指明要访问的成员变量是属于哪个对象的，或要调用的成员函数作用于哪个对象；
  • 访问静态成员时，则可以通过类名::成员名的方式访问，不需要指明被访问的成员属于哪个对象或作用于哪个对象。因此，甚至可以在还没有任何对象生成时就访问一个类的静态成员。
  • 非静态成员的访问方式其实也适用于静态成员，也就是可以通过对象名.成员名的方式访问，效果和类名::成员名这种访问方式没有区别。

变量及对象的生存期和作用域

变量的生存期和作用域

  • 变量的生存期是指变量所占据的内存空间由分配到释放的时期。变量有效的范围称为其作用域。全局变量是程序中定义在所有函数（包括main函数）之外的任何变量，其作用域是程序从变量定义到整个程序结束的部分。这意味着全局变量可以被所有定义在全局变量之后的函数访问。全局变量及静态变量分配的空间在全局数据区，它们的生存期为整个程序的执行期间。
  • 而局部变量，如在函数内或程序块内说明的变量，被分配到局部数据区，如栈区等。这种分配是临时的，一旦该函数体或程序块运行结束，所分配的空间就会被撤销。局部变量的生存期从被说明处开始，到所在程序块结束处结束。
  • 对于静态变量，如果没有进行初始化，系统会自动初始化为0。局部变量如果没有进行初始化，则其值是不确定的。
  • 使用new运算符创建的变量具有动态生存期。从声明处开始，直到用delete运算符释放存储空间或程序结束时，变量生存期结束。

类对象的生存期和作用域

类的对象在生成时调用构造函数，在消亡时调用析构函数，在这两个函数调用之间即是对象的生存期。

常量成员和常引用成员

  • 在类中，也可以使用const关键字定义成员变量和成员函数，甚至是类的对象。由关键字const修饰的类成员变量称为类的常量成员变量。类的常量成员变量必须进行初始化，而且只能通过构造函数的成员初始化列表的方式进行。使用const修饰的函数称为常量函数。定义类的对象时如果在前面添加const关键字，则该对象称为常量对象。定义常量对象或常量成员变量的一般格式如下：

    const 数据类型 常量名 = 表达式;

  • 定义常量函数的格式如下：

    类型说明符 函数名(参数表) const;

  • 在对象被创建以后，其常量成员变量的值就不允许被修改，只可以读取其值。对于常量对象，只能调用常量函数。总之，常量成员变量的值不能修改，常量对象中的各个属性值均不能修改。

例如：

class CDemo {
public:
    void setValue(){};//非常量成员函数
}

int main() {
    const CDemo obj;//obj是常量对象
    obj.setValue();//❌
    
    return 0;
}

成员对象和封闭类

一个类的成员变量如果是另一个类的对象，则该成员变量称为成员对象。这两个类为包含关系。包含成员对象的类焦作封闭类。

封闭类构造函数的初始化列表

当生成封闭类的对象并进行初始化时，它包含的成员对象也需要被初始化，需要调用成员对象的构造函数。在定义封闭类的构造函数时，需要添加初始化列表，指明要调用成员对象的哪个构造函数。在封闭类构造函数中添加初始化列表的格式如下：

封闭类名::构造函数名(参数表):成员变量1(参数表), 成员变量2(参数表), ... { ... }

初始化列表中的成员变量既可以是成员对象，也可以是基本数据类型的成员变量。对于成员对象，初始化列表的参数表中列出的是成员对象构造函数的参数（它指明了该成员对象如何初始化）。

先调用成员对象的构造函数，再调用封闭类对象的构造函数。

封闭类的复制构造函数

如果封闭类的对象是用默认复制构造函数初始化的，那么它包含的成员对象也会用复制构造函数初始化。

友元

友元实际上并不是面向对象的特征，而是为了兼顾C语言程序设计的习惯与C++信息隐藏的特点，而特意增加的功能。友元的概念破坏了类的封装性和信息隐藏，但有助于数据共享，****能够提高程序执行的效率。这是一种类成员的访问权限。

友元使用关键字friend标识。在类定义中，当friend出现在函数说明语句的前面时，表示该函数为类的友元函数。一个函数可以同时说明为多个类的友元函数，一个类中也可以有多个友元函数。当friend出现在类名之前时，表示该类为类的友元类。

友元函数

在定义一个类的时候，可以把一些函数（包括全局函数和其他类的成员函数）声明为友元，这样那些函数就称为本类的友元函数。在友元函数内部可以直接访问本类对象的私有成员。在类定义中，将一个全局函数声明为本类友元函数的格式如下：

friend 返回值类型 类名::类的成员函数名(参数表);

不能把其他类的私有成员函数声明为友元函数。

友元函数不是类的成员函数，但允许访问类中的所有成员。在函数体中访问对象成员时，必须使用对象名.对象成员名的方式。

友元函数不受类中的访问权限关键字限制，可以把它放在类的公有、私有、保护部分，结果是一样的。

//Test.hpp
#include <stdio.h>

class Pixel;

class Test {
public:
    void printP(Pixel p);
    void printP(Pixel *p);
};

//Test.cpp
#include "Test.hpp"
#include "Pixel.hpp"

using namespace std;

void Test::printP(Pixel p) {
    cout << "test:x = " << p.x << ", y = " << p.y << endl;
}
void Test::printP(Pixel *p) {
    //❌写法
    //'x' is a private member of 'Pixel'
    //'y' is a private member of 'Pixel'
    cout << "x = " << p->x << ", y = " << p->y << endl;
}

//Pixel.hpp
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include "Test.hpp"

using namespace std;

class Pixel {
private:
    int x, y;
public:
    Pixel(int x0, int y0) {
        x = x0;
        y = y0;
    }
    void printXY() {
        cout << "x = " << x << ", y = " << y << endl;
    }
    friend double getDist(Pixel p1, Pixel p2);
    friend void Test::printP(Pixel p);
};

//main.cpp
#include <iostream>
#include <cmath>
#include "Test.hpp"
#include "Pixel.hpp"

using namespace std;

double getDist(Pixel p1, Pixel p2) {
    double xDist = double(p1.x - p2.x);
    double yDist = double(p1.y - p2.y);
    return sqrt(xDist * xDist + yDist * yDist);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    Pixel p1(0, 0), p2(10, 10);
    p1.printXY();//x = 0, y = 0
    p2.printXY();//x = 10, y = 10
    cout << "p1和p2的间距 = " << getDist(p1, p2) << endl;
    //p1和p2的间距 = 14.1421
    
    Test t;
    cout << "从友元函数中输出：" << endl;
    t.printP(p1);//test:x = 0, y = 0
    t.printP(p2);//test:x = 10, y = 10
    
    return 0;
}

友元类

如果将一个类B说明为另一个类A的****友元类，则类B中所有函数都是类A的友元函数，在类B的所有成员函数中都可以访问类A中的所有成员。在类定义中声明友元类的格式如下：

friend class 类名;

友元类的关系是****单向****的。若说明类B是类A的友元类，不等于类A也是类B的友元类。友元类的关系不能传递，即若类B是类A的友元类，而类C是类B的友元类，不等于类C是类A的友元类。

除非确有必要，一般不把整个类说明为友元类，而仅把类中的某些成员函数说明为友元函数。

this指针

  • C++语言规定，当调用一个成员函数时，系统自动向它传递一个隐含的参数。该参数是一个指向调用该函数的对象的指针，称为this指针，从而使成员函数知道对哪个对象进行操作。
  • C++规定，在非静态成员函数内部可以直接使用this关键字，this就代表指向该函数所作用的对象的指针。
  • 在一般情况下，在不引起歧义时，可以省略this->，系统采用默认设置。
  • 静态成员是类具有的属性，不是对象的特征，this表示的是隐藏的对象的指针，所以静态成员函数没有this指针。
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