C++总结(3)：类的动态内存分配、异常、类型转换运算符

1 类的动态内存分配

1.1 C++动态内存分配

在C/C++中都可以使用malloc/free来分配内存，但C++还有一种更好的方法：new和delete。下面以动态分配int类型的变量为例，来看看如何使用这两个关键字：

（1）变量

int *pn = new int;
delete pn;

（2）数组

int *psome = new int[10];
delete []psome;

1.2 拷贝构造函数

拷贝构造函数是用于将一个对象复制到新创建的对象中，如果用户没有声明拷贝构造函数的话，编译器将生成一个默认的拷贝构造函数，它将逐个赋值非静态成员。它的原型如下：

Class_name(const Class_name &)

假设有一个String类,motto是一个String类对象，它的拷贝构造函数为String(const String &)，它的拷贝构造函数被调用的时机有以下几种：

String ditto(motto);
String metto = motto;
String also = String(motto);
String *pString = new String(motto)

所以如果有一个函数传的参数是String类形参，而不是引用的话，编译器将临时使用拷贝构造函数创建一个该类的副本。假设String类的构造函数中有分配内存，析构函数中有释放内存。此时若用户没有定义自己的拷贝构造函数，则编译器会调用默认的拷贝构造函数(而不是构造函数)，而在这个函数调用完后，将调用析构函数释放内存。这就会导致一些内存错误。应该自己定义一个拷贝构造函数，如下所示：

String(const String& other)
{  len = other.len;  str = new char[len + 1];  strcpy(str, other.str);
}  

• 一个函数如果返回对象的引用则不会调用拷贝构造函数，否则将调用拷贝构造函数。

1.3 赋值运算符(operator=)重载

前面我们知道String metto = motto;将调用拷贝构造函数，那什么时候调用拷贝构造函数，什么时候调用赋值运算符重载：在类定义的时候的=调用拷贝构造函数，在类定义完后的=调用赋值运算符重载：

调用拷贝构造函数:
String metto = motto;
调用赋值运算符重载:
String metto;
metto = motto;

与复制构造函数相似，赋值运算符的隐式实现也对成员进行逐个复制。所以对于上面的metto = motto来说，如果metto原本就通过动态内存分配分配了一块内存，这样隐式的拷贝就会导致之前的内存来不及释放。应该自己定义一个赋值运算符重载函数，如下所示：

String & String::operator=(const String & st)
{if (this == &st)return *this;delete [] str;len = st.len;str = new char [len + 1];strcpy(str, st .str) ;return *this;
}

2 异常

C++异常是对程序运行过程中发生的异常情况的一种响应。异常提供了将控制权从程序的一个部分传递到另外一部分的途径。C++可以使用try-catch来捕获异常，直接来看一个求调和平均值2ab/(a+b)的例子：

double hmean(double a, double b);int main(){double x, y, z;std::cout << "Enter two numbers: ";while (std::cin >> x >> y){try{z = hmean(x,y);}catch(const char * s){  // start of exception handlerstd::cout << s << std::endl;std::cout << "Enter a new pair of numbers: ";continue;}                       // end of handlerstd::cout << "Harmonic mean of " << x << " and " << y<< " is " << z << std::endl;}return 0;
}double hmean(double a, double b){if(a==-b){throw "bad hmean() arguments: a = -b not allowed";}return 2.0 * a * b / (a+b);
}

在try块中的代码若判断出异常后，throw一个异常(类似跳转,同时退出当前函数)，就能被catch捕获。下面再来看一下将对象用作异常类型的例子：

#include<iostream>class bad_hmean{
private:double v1;double v2;
public:bad_hmean(int a = 0, int b = 0) : v1(a), v2(b) {}void mesg();
};inline void bad_hmean::mesg(){std::cout << "hmean(" << v1 << ", " << v2 << "): "<< "invalid arguments: a = -b\n";
}
double hmean(double a, double b);int main(){using std::cout;using std::cin;using std::endl;double x, y, z;cout << "Enter two numbers: ";while(cin >> x >> y){try { // start of try blockz = hmean(x, y);cout << "Harmonic mean of " << x << " and " << y<< " is " << z << endl;}catch(bad_hmean & bh){ // start of catch blockbh.mesg();cout << "Try again.\n";continue;}}return 0;
}double hmean(double a, double b){if (a==-b){throw bad_hmean(a,b);//算作局部变量,等catch结束后该变量将销毁}return 2.0 * a * b / (a + b);
}

也就是说发送异常时可以throw一个类，然后在catch时使用bad_hmean & bh获得这个对象的引用。

3 类型转换运算符

C语言中的强制类型转换允许几乎所有情况的转换，比如将一个指针的地址转换为char，这样就输出的是这个32位指针变量的地址的低8位(大端)。显然，这种转换是没有意义的，大概率是程序员写错了，所以C++有几种更严格的类型转换机制：

(1)dynamic_cast

用于在运行时执行安全的向下类型转换，通常用于处理多态类型的类层次结构，如继承关系。

dynamic_cast<type_name>(expression)type_name:目标类型的名称，通常是一个类或类的指针/引用类型。expression:是要进行类型转换的表达式，通常是指向基类对象的指针或引用。

dynamic_cast 会检查是否可以安全地将 expression 转换为 type_name 类型，如果可以，它将返回一个指向目标类型的指针(或引用)，否则返回一个空指针(如果转换失败)或抛出 std::bad_cast 异常（如果转换不安全）。下面看一个例子：

#include<iostream>using namespace std;class Shape {
public:virtual void draw() { cout<<"shape"<<endl; }
};class Circle : public Shape {
public:void draw() override { cout<<"circle"<<endl; }void specialCircleFunction() { cout<<"special circle"<<endl; }
};int main() {Shape* shape = new Circle;Circle* circle = dynamic_cast<Circle*>(shape);if (circle) {circle->specialCircleFunction();} else {// 转换失败}delete shape;return 0;
}

(2)const_cast

用于添加或去除对象的 const 限定符，以便在需要时更改对象的常量性。通常情况下，const_cast 用于修改指向 const 对象的指针或引用，以使其可以修改对象的值。但要注意，滥用 const_cast 可能会导致未定义的行为，因此应该谨慎使用。

const_cast<new_type>(expression)new_type:要转换成的类型。expression:要进行类型转换的表达式，通常是指向const对象的指针或引用。

下面看一个例子：

#include <iostream>int main() {const int x = 10;const int* ptr1 = &x;int* ptr2 = const_cast<int*>(ptr1); // 使用const_cast去除const限定符*ptr2 = 30;std::cout << "After modification: x = " << x << std::endl;return 0;
}

(3)static_cast

用于执行编译时类型转换，可以在合理的情况下将一个类型转换为另一个相关类型，例如将整数转换为浮点数。但要注意，static_cast 不提供运行时检查，因此必须确保类型转换是安全的。

static_cast<new_type>(expression)new_type:要转换成的目标类型。expression:要进行类型转换的表达式。

下面来看一个例子：

#include <iostream>int main() {int integerNumber = 42;double doubleNumber = static_cast<double>(integerNumber);std::cout << "Double Number: " << doubleNumber << std::endl;return 0;
}

需要注意的是，static_cast 不执行运行时检查，因此在使用时需要谨慎，确保类型转换是安全的。如果转换不安全，可以考虑使用 dynamic_cast 或其他类型转换运算符进行更安全的类型转换。

(4)reinterpret_cast

用于执行低层的类型转换，允许你将一个指针类型转换为另一种不相关的指针类型，或者将任何类型转换为一个完全不同的类型。这是最不安全的类型转换之一，因为它不会进行任何类型检查或转换操作。

reinterpret_cast<new_type>(expression)new_type:要转换成的目标类型。expression:要进行类型转换的表达式，通常是指针、引用或其他表达式。

下面看一个例子，这里用static_cast的话就无法编译通过。

#include <iostream>int main()
{int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};int* ptr = array;char* charPtr = reinterpret_cast<char*>(ptr);std::cout << "First element of array (as char): " << static_cast<int>(charPtr[0]) << std::endl;return 0;
}

这是一个非常危险的操作，因为它忽略了数据的实际类型和结构。所以reinterpret_cast 应该非常小心地使用，只有在确切清楚这种类型转换是必要的情况下才应使用。