【C++】 类和对象 （下）

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📕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。

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

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。

对于上面普通的成员变量，不初始化当然没有关系，但是比如下面的呢？

main 函数中 定义了一个 aa 对象，这是对这个对象的定义，并没有定义其内部的成员变量。
引用、const修饰的成员变量、无默认构造的自定义类型成员。（默认构造：无参、全缺省、编译器自动生成的构造函数） 对于这三类成员变量，前两个都是要在定义的地方初始化，第三个无法传参。所以，必须要有一个 将成员变量初始化 的途径。

对于前两者，当然可以考虑使用缺省值，但是，缺省值是在 C++ 11 才出现的，那么之前是怎么解决的呢？
C++ 使用初始化列表，来完成该功能。

class B
{
public:B(int n):_b(0){cout << "B()" << endl;}private:int _b;
};class A
{
public:private:int _a1=1; // 声明int _a2=2;// 引用 、const修饰 、没有默认构造 的  自定义类型成员const int _x;int& _ref;   B bb;
};int main()
{const int t = 10;  // const 修饰，只能初始化的时候给值A aa;  // 对象的整体定义，每个成员什么时候定义呢？return 0;
}

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。

如下，A 中给出了初始化列表，可以简单的理解为在构造函数中间加一点"东西"。

按照初始化列表里面从上到下的顺序来看就是：初始化 _x 为 1 、初始化 _ref 为 _a 的引用 、初始化bb 并且传参为 4（自定义类型，调用它的初始化列表）。
然后函数体里面进行 _a1++ 、 _a2-- 操作。

class B
{
public:B(int n):_b(0){cout << "B()" << endl;}private:int _b;
};class A
{
public:A():_x(1), _ref(_a1)  // 初始化成对 _a1 的引用, bb(4)      // B 类的初始化列表有参数，没有默认构造（无参数），需要传参，必须这样写{_a1++;_a2--;}
private:int _a1=1; // 声明int _a2=2;// 引用 、const修饰 、没有默认构造 的  自定义类型成员const int _x;int& _ref;   // 引用也要在定义的地方初始化B bb;
};int main()
{const int t = 10;  // const 修饰A aa;  // 对象的整体定义return 0;
}

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成员在初始化列表中的顺序，并不就是它们的初始化顺序。

如下代码，运行结果是：输出 1 随机值 。
因为初始化列表里面，初始化顺序是 声明的顺序，而 不是 初始化列表里面的顺序。（如果是按照初始化列表里的顺序，那么 _a1 先初始化为参数的值，_a2 再初始化为 _a1 的值）

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();
}

所以，初始化列表有以下的一些注意点：

• 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)
• 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。
• 4. 成员变量在类中声明的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。

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我们再来体会一下单参数和多参数的区别。

引用 那一篇文章有写到，内置类型 转换成 自定义类型的引用，必须要用 const 修饰，因为是先将内置类型 放到 临时变量里面，而临时变量具有常性，所以为了避免权限放大，要用 const 修饰。比如下面 main 函数里的第一行代码。

但是对于单个参数的构造函数而言，如果也像下面注释一样，先 构造 临时变量、再将 临时变量 拷贝构造给 a2，未免过于麻烦，所以有的编译器就会优化，将这两个过程合二为一，直接当成构造，1 就相当于传过去的参数。

如下，根据输出结果，也可以看出没有调用拷贝构造。

class A {
public:A(int a):_a1(a){cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& a){cout << "A(const A& a)" << endl;}private:int _a1;
};int main()
{const A& a3 = 1; // 将 1 放到 A 类型的 临时变量里面。临时变量具有常性，所以要const修饰// 单个参数A a1(1);A a2 = 1; // 隐式类型转换， 将 1 当作参数，调用初始化列表，有了 A 类型的临时变量，将临时变量拷贝给 a2return 0;
}

C++ 一开始是不支持多参数的，后来也支持了，其用法和单参数类似，只不过是使用的时候，要用大的花括号。

class A {
public:A(int a,int b):_a1(a){cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& a){cout << "A(const A& a)" << endl;}private:int _a1;
};int main()
{// 多个参数A b1(1, 2);A b2 = { 2,2 };  // 多参数这样写const A& b3 = { 4,7 };return 0;
}

3. explicit 关键字

构造函数不仅可以构造 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，从上面两段代码也可以看出来（将 内置类型转换成了自定义类型）。

但是，如果我们不需要构造函数的类型转换功能，也是可以的，只要用 explicit 修饰构造函数即可。

如下，explicit 修饰之后，依然强制类型转换，会报错。

class A {
public:explicit A(int a):_a1(a){cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& a){cout << "A(const A& a)" << endl;}private:int _a1;
};int main()
{// 如果不想让内置类型，转换为自定义类型，可以在初始化列表的函数前面用 explicit 修饰A a = 1;  // 报错return 0;
}

📕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。

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2. static 成员变量

如果要 实现一个类A，计算程序中实例化了多少个A类型的对象。
最先想到的就是，在全局设置一个变量，每一次 构造 或者 拷贝 的时候，该变量的值都 +1 ，这样就可以计算实例化出了多少个对象。

但是，有了 static 成员的知识储备，就可以在类里面实现，这样子能更好地体现“封装”的性质。

如下代码，static 修饰的成员变量 count，不属于某个具体的对象，而是属于整个类。在类里面只是声明，并不是定义，并且在类外定义的时候，是不要加 static 的。
但是如果成员变量在类里面被 private 修饰，那么就不可以访问到。所以必须要用 public 修饰，但是用 public 修饰之后，又可以被任意访问修改。

这样子就又出现了一个问题，如何才可以 不用public 修饰成员变量的情况下，还可以访问到count呢？这里要用static成员函数解决。

class A {
public:A(int a):_a1(a){count++;cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& a){count++;cout << "A(const A& a)" << endl;}static int Size()  // 静态成员函数，没有 this 指针，所以无法访问非静态的成员变量{return count;}public:int _a1;static int count; // 声明。此外，这个成员变量不属于某个对象，属于整个类
};int A::count=0;  // 初始化int main()
{// count 需要变成 public 才可以被外部访问到A aa(2);cout << aa.count << endl;cout << A::count << endl;return 0;
}

3. static 成员函数

static 修饰的成员函数，没有 this 指针。所以，该函数内部不可以对 类 里面的非静态成员变量进行访问。

如下，static 修饰的 Size() 函数，只能访问静态成员变量 count ，不可以访问非静态成员变量 _a1 ，因为该函数的参数是没有 this 指针的。
从某种程度上来说，静态成员函数就是为了静态成员变量而创造的。

下面的代码，通过 Size() 函数 返回 count 的值，但是却不会对 count 进行任何修改（因为返回值是拷贝进临时变量的）。所以是最完美的结果，“封装”性体现的很好。

class A {
public:A(int a):_a1(a){count++;cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& a){count++;cout << "A(const A& a)" << endl;}static int Size()  // 静态成员函数，没有 this 指针，所以无法访问非静态的成员变量{return count;}private:int _a1;static int count; // 声明。此外，这个成员变量不属于某个对象，属于整个类
};int A::count=0;  // 初始化int main()
{// 定义静态成员函数，这个函数返回 count 的值cout << A::Size() << endl;cout << A(1).Size() << endl;  // 匿名对象，生命周期只在这一行return 0;
}

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static 成员的一些特性：

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。

📕 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

如下代码，当我们想要在一个类里面对流输出进行重载的时候，使用起来 是 d1<< cout; 和常规使用方式反了。所以，要么在iostream 标准库里面添加重载，要么在外部写流输出重载，前者显然不现实。但是，在类的外部写流输出重载的时候，无法访问类的成员变量，也就无法输出对应的值。

此时就需要友元函数的介入。

class Date {
public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}// d1 << cout;     ->     d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
// 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ostream& operator<<(ostream& _cout){_cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;return _cout;}
private:int _year;int _month;int _day;
};int main()
{Date d1(2023,2,8);d1<<cout;
}

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。

如下代码，在 Date 类里面 申明 流输入重载、流输出重载，同时在两个函数的前面都加上 friend 。就代表这两个函数，是 Date 类的友元函数，可以访问 Date 类里面的成员变量。

两个函数的函数定义里面也可以看出来，传入的第二个参数是 d 的引用，但是 Date 类里面，成员变量都是 private 修饰的，那么即使是实例化的对象，也无法访问。但是由于两个函数都是Date类的友元函数，所以可以直接访问。

class Date {friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}
private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{_cin >> d._year;_cin >> d._month;_cin >> d._day;return _cin;
}int main()
{Date d;cin >> d;cout << d << endl;return 0;
}

友元函数的一些性质：

• 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

联想友元函数的声明以及用法，友元类也差不多。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。

如下，在 Time 类里面声明，Date 类是 Time 类的友元类，那么 Date 类里面的任何一个成员函数，都可以直接访问 Time 类里面的成员变量。

但是，这样的关系是单向的—— Time 类 里面的成员函数，不可以直接访问 Date 类的成员变量。

class Time {friend class Date; // 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
public:Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0): _hour(hour), _minute(minute), _second(second){}
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){}void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second){
// 直接访问 Time 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;
};

关于友元类的一些性质：

• 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。
• 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。

📕内部类

如果一个类定义在另一个类的内部，这个在内部的类就叫做内部类。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。
内部类其实就是外部类的友元类，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。

比如下方的例子，B类在A类的内部，是A类的内部类。所以，B天生就是A的友元类，函数中可以通过A类的对象访问A类的成员变量（比如 foo 函数种，通过 a 访问 h） 。
另外，下方输出结果，sizeof(aa)，结果是 8，并没有计算类型B里面的成员变量。这是因为，虽然B是A的内部类，但两个类是独立的，仅仅相当于B被隐藏起来了而已。

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;//OKcout << a.h << endl;//OK}};private：int _b1;double _b2;
};int A::k = 1;int main()
{A::B b;b.foo(A());A aa;cout<<sizeof(aa)<<endl;return 0;
}

使用内部类的情况也不多，下面是它的特性：

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。

📕编译器优化

在函数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。

如下代码，在构造函数、拷贝构造、赋值重载、析构 这些函数体里面，都使用了流输出，只要调用函数，就会打印相应的内容，调试就可以知道某一行代码具体干了什么。

如下，将内置类型的 1 强制转换成A 类型的 aa1，按照之前理解的，要先构造为临时变量，然后临时变量拷贝构造给 aa1 。但是编译器会优化成直接构造，1 就是传的参数。

func(aa1) 要将实参拷贝为形参，所以调用一次拷贝构造。

func1(2); 先将 2 强制类型转换成 A 类型的临时变量，再将临时变量拷贝构造为形参。所以要先构造，再拷贝，但是编译器优化为直接构造。
func1(A(3)); 先以3为参数进行构造成为实参，再拷贝构造传给形参。优化为直接构造。

fuc2() 测试的是传引用，由于传引用不存在把实参拷贝构造给形参，所以没有优化的空间。

class A {
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& aa):_a(aa._a){cout << "A(const A& aa)" << endl;}A& operator=(const A& aa){cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;if (this != &aa) {_a = aa._a;}return *this;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};void func1(A aa)
{}void func2(const A& aa)
{}int main()
{A aa1 = 1;     // 构造+拷贝构造 -》 优化为直接构造func1(aa1);    // 无优化func1(2);      // 构造+拷贝构造 -》 优化为直接构造func1(A(3));   // 构造+拷贝构造 -》 优化为直接构造cout << "----------------------------------" << endl;func2(aa1);  // 无优化func2(2);    // 无优化func2(A(3)); // 无优化return 0;
}

如下，A 依然是上面的类，一摸一样。改变的是两个外部函数，返回值传A类型的，并且函数内部定义A类型的对象。

直接调用 fuc3() ，无疑，先构造 aa ，再拷贝构造出一个临时变量作为返回值。所以调用了构造、拷贝构造。但是没有优化的空间，因为 func3() 函数内部 aa的 定义 和 返回是分开的。

A aa1=func3(); 调用 fun3 的过程和上面一样，先构造、再拷贝构造。生成的临时变量再拷贝构造给 aa1 ，所以经历了两次拷贝构造，此时就会被优化成一个拷贝构造。

但是，对于 aa2 而言，aa2 已经定义好了，aa2 = func3(); 是赋值重载，而不是拷贝构造，所以无法优化。

对于 func4(); 它直接构造出一个匿名对象返回，相当于构造和拷贝构造是连续的，所以可以优化为构造。
A aa3 = func4(); 除了调用 func4() ，还多了将 func4() 生成的临时变量，拷贝构造给 aa3 的过程，所以是 构造、拷贝构造、拷贝构造。编译器会优化成 构造。

A func3()
{A aa;return aa;   // 不可以优化，因为分开的
}A func4()
{return A();  // 可以优化
}int main()
{func3();A aa1 = func3(); // 拷贝构造+拷贝构造  -- 优化为一个拷贝构造cout << "****" << endl;A aa2;aa2 = func3();   // 不能优化  ， 因为是赋值重载cout << "---------------------------" << endl;func4();         // 构造+拷贝构造 -- 优化为构造A aa3 = func4(); // 构造+拷贝构造+拷贝构造  -- 优化为构造return 0;
}

上面所提到的一些优化，对于A类而言，确实没有什么区别，但是如果对于二叉树那些的呢？多次拷贝开销很大，所以，要学会使用这些小技巧，让程序更加优质！

这里浅浅地总结一下：

• 如果可以，尽量 return 匿名对象。
• 函数传参，尽量传引用。
• 如果要用一个对象来初始化另一个对象，尽量使用拷贝构造而不是赋值重载。

类和对象部分到这一篇文章就算是完结啦！有什么错误的地方欢迎指正！！