C++类与对象(7)—友元、内部类、匿名对象、拷贝对象时编译器优化

目录

一、友元

1、定义 

2、友元函数

3、友元类

二、内部类

1、定义

2、特性：

三、匿名对象

四、拷贝对象时的一些编译器优化

1、传值&传引用返回优化对比

2、匿名对象作为函数返回对象

3、接收返回值方式对比

总结：

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一、友元

1、定义 

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

2、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，使用形式发生变化。

class Date
{
public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}// d1 << cout; 或者 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;
};

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。 

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。

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

3、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。

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){// 直接访问时间类私有的成员变量_time._hour = hour;_time._minute = minute;_time._second = second;}private:int _year;int _month;int _day;Time _time;
}

• 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。
• 友元关系不能继承，在继承位置再给大家详细介绍。

二、内部类

1、定义

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：内部类就是外类部的友元类，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。

2、特性：

• 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
• 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。
• sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。

我们先来看一下 ”sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系“ 在代码中怎么体现的。

class A{
private:int h;
public:class B{private:int b;};
};int main()
{A aa;cout << sizeof(aa) << endl;return 0;
}

输出结果显示，类A的对象对象只有一个int成员的大小。

在调试中也可以看到类对象aa只有一个成员变量h。

 

内部类B跟A是独立，只是受A的类域限制。

可以通过下面代码访问到B类

A::B bb;

如果B类的作用域变为私有，则不能访问到。

B天生就是A的友元。

class A{
private:int h = 0;static int k;
public:class B{public:void Print(const A& a){cout << k << endl;// >> OKcout << a.h << endl;// >> OK}};
};
int A::k = 1;int main()
{A aa;A::B bb;bb.Print(aa);return 0;
}

通过B类成功访问A类的静态成员变量k和整型成员变量h。

这时我们就可以对使用static成员的这道题使用内部类进行修改。 

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class Solution {class Sum {public:Sum() {_sum += _i;_i++;}};private:static int _sum;static int _i;public:int Sum_Solution(int n) {Sum a[n];return _sum;}
};
int Solution::_sum = 0;
int Solution::_i = 1;

三、匿名对象

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};
class Solution {
public:int Sum_Solution(int n) {//...return n;}
};
int main()
{A aa1;// 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//A aa1();// 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，// 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A();A aa2(2);// 匿名对象在这样场景下就很好用。Solution().Sum_Solution(10);return 0;
}

这样定义类对象可以吗？

A aa1();

• 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。

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。

A();

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

匿名对象在这样场景下就很好用。

Solution().Sum_Solution(10);

四、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、传值&传引用返回优化对比

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，不能跨表达式优化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;
}

我们看一下main函数中的代码：

• A aa1 = 1; 这里首先调用构造函数创建一个临时对象，然后调用拷贝构造函数将临时对象的内容复制到aa1。但是，编译器通常会进行优化，直接调用构造函数创建aa1，避免了不必要的拷贝构造。
• func1(aa1); 这里调用函数func1，参数是aa1的拷贝，所以会调用拷贝构造函数。这个过程没有优化。函数func1会调用析构函数清理临时变量aa。
• func1(2); 和 func1(A(3)); 这两行代码都是先构造一个临时对象，然后调用拷贝构造函数将临时对象的内容复制到函数参数。但是，编译器会进行优化，直接将临时对象作为函数参数，避免了不必要的拷贝构造。

然后是func2的调用：

func2(aa1); func2(2); 和 func2(A(3)); 这三行代码都是将一个对象的引用作为函数参数，所以不需要调用拷贝构造函数，也就没有优化的空间。

•  func2(aa1)引用传值，不需要构造和析构。

• func2(2)构造一个临时对象，然后拷贝构造给aa。

• func2(A(3))中 A(3) 创建了一个临时对象，调用了构造函数 A(int a = 0)，并输出 "A(int a)"。

  • 这是因为在函数调用 func2(A(3)); 中，临时对象被创建，即 A(3)。const A& aa 表示将这个临时对象通过常引用传递给 func2 函数。在这里，没有发生拷贝构造，因为是通过引用传递的。

  • 所以在 func2 函数内部，没有额外的构造或拷贝构造的调用。当 func2 函数执行完毕，临时对象开始析构。这时调用了析构函数 ~A()，并输出 "~A()"。这是因为在函数调用结束后，局部变量（包括通过临时对象构造的 aa）会被销毁。

  • 最后，整个程序执行结束，全局的 A(3) 对象也会被销毁，调用析构函数 ~A()。因此，总共有两次析构调用。一次是在 func2 函数内部的临时对象销毁，另一次是全局的 A(3) 对象销毁。

  • 

2、匿名对象作为函数返回对象

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;
};A func3()
{A aa;return aa;
}
A func4()
{return A();//匿名对象
}int main()
{func3();// 构造+拷贝构造A aa1 = func3();//构造+两个拷贝构造>>>优化为构造+一个拷贝构造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;
}

通过对比，可以发现使用匿名对象在func4()中的好处。 

在函数 func4() 中，return A(); 创建了一个匿名对象，并且该匿名对象直接作为函数的返回值。这样，调用 func4() 将得到这个匿名对象的拷贝，而不需要额外的临时对象。因此，在 func4() 的调用中，可以直接构造并返回这个匿名对象，避免了多余的对象的创建和拷贝构造。

3、接收返回值方式对比

A func3()
{A aa;return aa;
}int main()
{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();  // 声明和定义不在一行，不能优化return 0;
}

总结：

对象返回：

• 接收返回值对象，尽量拷贝构造方式接收，不要赋值接收。
• 函数中返回对象时，尽量返回匿名对象。

函数传参：

• 尽量使用const &传参。