【C++初阶】第四站:类和对象(下)(理解+详解)

前言：

本篇知识点：初始化列表、explicit关键字、static成员、友元、内部类、匿名对象、编译器的优化

专栏：C++初阶

目录

再谈构造函数

1️⃣构造函数体赋值

2️⃣初始化列表

explicit关键字

static成员

1.static概念

2.static特性

面试题

友元 

友元函数

友元类

内部类

内部类概念

优化面试题

匿名对象

 匿名对象和有名对象

拷贝对象时的一些编译器优化

知识点回顾：

示例(包含讲解)： 

传值传参和传值返回

构造+拷贝构造

连续的拷贝构造

拷贝构造+赋值重载(无法优化) 

再次理解类和对象

---

再谈构造函数

        对于MyQueue 不需要写它的构造函数，编译器自动生成，会调用它的默认构造。

但是如果Stack类不提供默认构造给你，那就得实现显示调用，该怎么办呢？

有两种办法。

1️⃣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。

代码示例：

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 。

如下例子：

​class Date
{
public:Date(int year=2024, int month=1, int day=1)//构造函数初始化,只能初始化一次//赋值{_year = year;//可以多次赋值_year = 2023; _year = 2021; //..._month = month;_day = day;}
private:int _year;int _month;int _day;
};

2️⃣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。

代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}void Print(){cout << _year << "/" << _month << "/" << _day;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{	Date d1(2024, 1, 1);d1.Print();return 0;
}

执行如下：

【注意】

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)

其实可以这样理解：

代码如下：

class Date
{
public://初始化列表是每个成员定义的地方//不管你写不写，每个成员都要走初始化列表Date(int year, int month, int day, int& i):_year(year), _month(month), _a(i), _refi(i),_x(100)//显示给值了{//赋值//_day = day;}void func(){++_refi;++_refi;}//private下面如果成员变量右边给了值，都叫做缺省值
private:int _year;//每个成员声明int _month;int _day;//C++11支持给缺省值，这个缺省值给初始化列表//如果初始化列表没有显示给值，就用这个缺省值//必须定义时初始化,也就是说以下这三个成员变量必须出现在初始化列表const int _x=1;//如果显示给值了，就不用这个缺省值int& _refi;A _a;
};
//能用初始化列表就用初始化列表初始化
//有些场景还是需要初始化列表和函数体混着用
int main()
{int n = 0;Date d1(2023, 7, 28, n);d1.func();cout << n << endl;return 0;
}

执行：对_refi就是对着n操作

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。

#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:Time(int hour = 0):_hour(hour){cout << "Time()" << endl;}
private: int _hour;
};
class Date
{
public:Date(int day){}
private:int _day;Time _t;
};
int main()
{Date d(1);
}

执行：

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

来做一道题：

explicit关键字

        构造函数不仅可以构造与初始化对象，对于单个参数的 构造函数，还具有类型转换的作用。

class A
{
public://explicit A(int i)A(int i):_a(i){cout << "A(int i):"<<i<< endl;}A(const A& aa):_a(aa._a){cout << "A(const & aa)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};
struct SeqList
{
public:void PushBack(const A& x){//...扩容_a[_size++] = x;}size_t size() const{return _size;}//读const A& operator[](size_t i)const{assert(i < _size);return _a[i];}//读/写A& operator[](size_t i){assert(i < _size);return _a[i];}
private://C++11A* _a = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;
};
int main()
{A aa1(1);A aa2 = 2;return 0;
}

       经过编译器优化之后，以下的两个代码是等价的：

A aa1(2);//直接构造 <==> A aa1 = 2

解析：        

        在早期的编译器中，当遇到下面的一行代码时,会处理成：用2调用A构造函数生成一个临时对象(tmp),再用这个对象(tmp)去拷贝构造aa1

A aa1 = 2;//先构造，再拷贝构造

上面的代码等价于下面这两步:

A tmp(2);
A aa2(tmp);  

但是，C++支持单参数构造函数的隐式类型转换：

        编译器会再优化，优化用2直接构造,所以当我们遇到像A aa1 = 2的式子时，实际上编译器已经转换成了A aa1(2)，这就叫隐式类型转换

同时在c++中,不想让隐式类型发生，就在构造函数前面加个explicit

因为explicit修饰构造函数，禁止了单参构造函数类型转换的作用

在C语言中我们也讲了隐式类型转换：无论是值拷贝还是说加了引用的，都会生成临时变量的。

static成员

1.static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；

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

2.static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

代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A() {++n;++m;}A(const A& t){++n;++m;}~A(){--m;}
private:int a;//4 bytestatic int n;static int m;
};
int main()
{cout << sizeof(A) << endl;return 0;
}

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

解析思路：

当我们要计算A这个类，累计创建了多少个对象(用n表示)，正在使用的多少个对象(用m表示)

以之前的知识，我们首先会在全局定义两个变量

 经过以下代码验证之后，我们发现，如果定义全局的变量，会被外面随意修改

       

        此时的话，我们试下把n和m定义在class A的private内，但是这样每一个对象在定义的时候，都会创建一个n和m，此时n和m是每一个对象的成员了，不是用来统计有几个对象，明显不能这样定义。

这时候如果被static修饰,这两个成员变量就位于静态区了,叫做静态成员变量,需要注意的地方有：

 代码如下：

class A
{
public:
private:int a;//4 bytestatic int n;//静态成员的声明static int m;//静态成员的声明
};
//在类外面定义
int A::n = 0;
int A::m = 0;

还有要注意的；

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 

静态成员变量被public修饰时:

 代码如下：

include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A(){++n;++m;}A(const A& t){++n;++m;}~A(){--m;}
//private:static int n;static int m;
};
// 静态成员变量的定义初始化
int A::n = 0;
int A::m = 0;int main()
{A aa1;cout << A::n << " " << A::m << endl;//1.通过类名突破类域进行访问cout << aa1.n << " " << aa1.m << endl; //2.通过类对象突破类域进行访问A* ptr = NULL;cout << ptr->n << " " << ptr->m;//3.通过空指针解引用成员突破类域
}

当静态成员变量被private修饰时:

        我们当然可以定义被public修饰的成员函数,然后此时被static修饰的两个静态成员n和m通过创建对象aa1,接着aa1.Print()就可以打印出对象的个数，

        但如果我定义一个匿名对象，接着调用Print函数，这时候会多出一个n(累计创建的对象)，干扰打印的逻辑了。

我们可以借鉴上面静态成员变量突破类域的方式，引出我们静态成员函数的三种突破类域的方式

代码如下: 

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A(){cout << "A()" << endl;++n;++m;}A(const A& t){++n;++m;}~A(){--m;}//静态成员函数的特点:没有this指针static int GetM(){return m;}static void Print(){//x++；//不能访问非静态，因为没有thiscout << m << " " << n << endl;}
private://这样定义不行，这样的话每一个对象都有一个n和m，//int m;//int n;// 不符合题意，因为这是来统计对象个数的//静态成员变量属于所有A对象,属于整个类//声明//累积创建了多少个对象static int n;//正在使用的还有多少个对象static int m;
};int A::n = 0;
int A::m = 0;int main()
{A aa;//三种突破类域的方式A::Print();//通过类名调用静态成员函数进行访问aa.Print();//通过实例化的对象调用成员函数进行访问A* ptr = NULL;ptr->Print();//通过空指针调用静态成员函数进行访问return 0;
}

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

代码如下：

//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
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:static void Print(){cout << x++ << endl;}
private:int x;//非静态成员变量static int a;//静态成员变量
};
int main()
{A x;x.Print();
}

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？

答：不能 ， 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

2. 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗？

答：可以。 因为静态成员函数和非静态成员函数都在类中，在类中不受访问限定符的限制。

代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:void Notstatic(){Print();//<-------非静态调用调用静态 }//两种写法static void Print(){cout << a << endl;}/*static int Print(){cout << a << endl;return a;}*/
private:int x;//非静态成员变量static int a;//静态成员变量
};
int A::a = 10;
int main()
{A x;x.Notstatic();
}

执行：

面试题

1. 求 1+2+3+...+n ，要求不能使用乘除法、 for 、 while 、 if 、 else 、 switch 、 case 等关键字及条件判

断语句: 求1+2+3+...+n_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

#include<iostream>
using namespace std;
class Sum//定义一个名为Sum的类
{
public:Sum()//构造函数，当创建Sum对象时自动调用{_ret +=_i;// 每次构造函数被调用时，将静态成员变量_i的当前值累加到静态成员变量_ret上_i++; //紧接着递增静态成员变量_i的值}static int GetRet()//定义一个静态成员函数GetRet，用于获取静态成员变量_ret的值{return _ret;//直接返回静态变量_ret的值}
private:
//定义两个静态私有成员变量
// 静态成员变量属于类，不是某个对象所有，而是所有对象共享，并且在整个程序生命周期内只初始化一次static int _i;//初始化为1，每次构造函数调用时递增static int _ret;// 初始化为0，用于累计构造函数调用次数
};//对静态成员变量进行初始化(定义)
int Sum::_i = 1;
int Sum::_ret = 0;
//定义另一个名为Solution的类
class Solution {
public:// 定义成员函数Sum_Solution，接收一个整数参数nint Sum_Solution(int n) {Sum a[n];return Sum::GetRet();}
};

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

友元函数

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

我们之前在：【C++初阶】第一站:C++入门基础(上) -- 良心详解-CSDN博客

简单了解过关于cout(流插入)，cin(流提取)的知识

现在我们来回顾一下：

在之前的印象中，当我们遇到关于内置类型(int,float,double等)，可以直接使用cout和cin进行输出和输入：

原因是什么呢，通过查阅资料可以发现：i 和 j 通过操作符重载间接实现了类似成员函数的功能。

cin是istream类型的对象，cout是ostream类型的对象

在C++中，内置类型是直接支持cout流插入<<和cin流提取>>，这并不是什么自动识别类型，是运算符重载和函数重载罢了，库里面支持把内置类型作为成员函数，重载了

这时候，我们创建Date类的一个自定义类型的对象，使用cout和cin输出和输入会发现编译错误：

我们可以看到，隐含的this指针，占据着这个流插入成员函数的第一个参数的位置，与main函数内调用的位置不相符，cout是ostream类型的对象，但是到了成员函数，第一个位置是Date*类型

 既然它的位置不相符，那么我们可以这样写吗：

        可以是可以，但是流插入的本质是:应该是对象流入到console里面去,而不是console流入到对象里 ，对于流提取同理

 这时候我们把位于Date.h里原本成员函数的声明注释掉：

 我们在全局定义一个<<重载的函数，定义成全局的声明,此时经过编译后，又引发了一个新问题：

面对这样的情况，该如何去纠正： 

在类的外部要想访问内部私有成员，用友元声明:在类的公有和私有声明都可以

我们发现就可以编译通过了：

 并且类型的顺序也是匹配的:

但是当咱们连续输出两个自定义对象的时候，编译就不会通过了，看下面解析：

这时候我们把.h里面的友元的返回值改成ostream&、全局声明和.cpp里面的返回值也改成一样：

 对于流提取,并不能给声明加const:

总结：

内置类型，可以使用<<>>是因为函数重载加运算符重载

自定义类型使用的方式是重载这个流插入和流提取的运算符

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。

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;
};

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。

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

• 友元关系是单向的，不具有交换性。

        比如下面的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

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_t._hour = hour;_t._minute = minute;_t._second = second;}private:int _year;int _month;int _day;Time _t;
};

内部类

内部类概念

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。

从下面这张图看出来什么：

总结：

1.B类 受A类域和访问限定符的限制，其实它们是两个独立的类
2.内部类默认就是外部类的友元 -- 内部类可以访问外部类，外部类不能访问类部类

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。

代码示例：

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}};
};
int A::k = 1;
int main()
{A::B b;b.foo(A());return 0;
}

执行：

优化面试题

求1+2+3+...+n_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

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

匿名对象

#include<iostream>
using namespace std;
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，当然还有一些其他使用场景，这个我们以后遇到了再说Solution().Sum_Solution(10);return 0;
}

执行：

 匿名对象和有名对象

例子

拷贝对象时的一些编译器优化

知识点回顾：

        C++默认兼容C语言，默认生成的拷贝构造函数对内置类型会完成值拷贝（跟结构体拷贝一样）但是又规定自定义类型传值传参过程中，符合拷贝构造:拿一个以及存在的对象去初始化另一个对象

        为什么要规定调拷贝构造?因为直接搞值拷贝，会有很大的问题，比如说像栈、顺序表、链表这样的类(析构两次)，对象里面可能还有一个指针指向一块空间，这时候就要完成深拷贝，那想让这个拷贝正确该怎么办呢，就要自己去写那个深拷贝

        所以c++在这一块完成了完美的兼容，对于日期类就算要浅拷贝(不写，编译器默认生成的拷贝构造)，编译器有着个性化处理，对于栈要自己写深拷贝，对于日期类写不写都行

示例(包含讲解)： 

比如下面这个例子中：传值传参引发了对象的拷贝，拷贝要调用拷贝构造，拷贝出aa1的副本aa，然后出了作用域aa先析构，回到main函数之后，出了作用域aa1再调析构

可以想象一下，假设我仅仅只想调用一下Print()有没有必要使用拷贝构造？没有吧。

我们要给这个形参加上引用，同时加上const，这样的话就不会引发拷贝，也保护了对象不可修改：

同时插播一下，这两者是有着显著区别的： 

其实对于void f1的(A& aa)这个地方可以不加const，这属于权限的缩小，但是对于匿名对象来说可不行

因为：f1(A())这一行试图将一个匿名临时对象传递给需要非const引用参数的函数f1(A& aa)。

匿名临时对象不能绑定到非const引用上，因为匿名临时对象生命周期结束后会自动销毁，

而非const引用可能会尝试修改临时对象，这是不允许的。

所以要给这个函数加上 const-->void f1(const A& aa)

另外， 我们知道匿名对象的生命周期只在这一行，但是const引用会延迟匿名对象的生命周期：

传值传参和传值返回

对于编译器处理 传值传参和传值返回的总结：

传值返回 -- 不能带引用返回，因为aa出了这个作用域调析构了。 如果返回了aa的引用，意味着返回的引用指向了一个已经销毁的对象，在实际运行时可能导致各种难以预料的问题：

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 f1(A aa)
{}
A f2()
{A aa;return aa;
}
int main()
{// 传值传参A aa1;f1(aa1);cout << endl;// 传值返回f2();cout << endl;return 0;
}

对于析构的分析

对于f2()，仅此于f2(),我们分析一下析构：

1. 第一次析构：在 f2 函数内部，局部变量 aa 在 return aa; 语句处会触发一次析构。这是因为 aa 是 f2 函数的局部对象，当函数执行完毕时，局部对象的生命周期结束，因此会调用析构函数。

2. 第二次析构：f2 函数返回的是 A 类的一个对象，但由于它是通过值返回的，所以在 f2() 调用处会创建一个临时对象接收返回值。然而，由于这个临时对象在表达式结束之后没有被存储到任何地方，因此它也会在表达式（也就是f2() ）结束时立即被销毁，从而触发第二次析构。

构造+拷贝构造

一个表达式，连续的步骤里面，连续的构造会被合并

f1(1)：隐式类型，连续构造(构造函数)+拷贝构造->优化为直接构造

f1(A(2))：一个表达式中， 连续构造(构造函数)+拷贝构造->优化为一个构造

连续的拷贝构造

一个表达式中，连续拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造

拷贝构造+赋值重载(无法优化) 

一个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载->无法优化

//上文有A类的定义
A f2()
{A aa;return aa;
}
int main()
{// 一个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载->无法优化A aa1;aa1 = f2();cout << endl;return 0;
}

 执行：

        拷贝构造的aa，返回的临时拷贝，也就是回到main函数之后的那个临时对象(黄色字)，要等到赋值运算符重载完毕之后,才调的析构

再次理解类和对象

类和对象篇就此结束，接下来是内存管理。

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🧭更新时间：2024年3月1日