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04.C++类和对象（中）

news 2025/5/29 4:27:17

1.类的默认成员函数

默认成员函数就是用户没有显式实现，编译器会自动生成的成员函数称为默认成员函数。一个类，我们不写的情况下编译器会默认生成以下6个默认成员函数，需要注意的是这6个中最重要的是前4个，最后两个取地址重载不重要，我们稍微了解一下即可。其次就是C++11以后还会增加两个默认成员函数，移动构造和移动赋值，这个我们后面再讲解。默认成员函数很重要，也比较复杂，我们要从两个方面去学习：

• 第一：我们不写时，编译器默认生成的函数行为是什么，是否满足我们的需求。

• 第二：编译器默认生成的函数不满足我们的需求，我们需要自己实现，那么如何自己实现？

2.构造函数

构造函数是特殊的成员函数，需要注意的是，构造函数虽然名称叫构造，但是构造函数的主要任务并不是开空间创建对象(我们常使用的局部对象是栈帧创建时，空间就开好了)，而是对象实例化时初始化对象。构造函数的本质是要替代我们以前Stack和Date类中写的Init函数的功能，构造函数自动调用的特点就完美的替代的了Init。

构造函数的特点：

1. 函数名与类名相同。

2. 无返回值。 (返回值啥都不需要给，也不需要写void，不要纠结，C++规定如此)

3. 对象实例化时系统会自动调用对应的构造函数。

4. 构造函数可以重载。

5. 如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。

6. 无参构造函数、全缺省构造函数、我们不写构造时编译器默认生成的构造函数，都叫做默认构造函数。但是这三个函数有且只有一个存在，不能同时存在。无参构造函数和全缺省构造函数虽然构成函数重载，但是调用时会存在歧义。要注意很多同学会认为默认构造函数是编译器默认生成那个叫默认构造，实际上无参构造函数、全缺省构造函数也是默认构造，总结一下就是不传实参就可以调用的构造就叫默认构造。

7. 我们不写，编译器默认生成的构造，对内置类型成员变量的初始化没有要求，也就是说是否初始化是不确定的，看编译器。对于自定义类型成员变量，要求调用这个成员变量的默认构造函数初始化。如果这个成员变量，没有默认构造函数，那么就会报错，我们要初始化这个成员变量，需要用初始化列表才能解决，初始化列表，我们下个章节再细细讲解。

说明：C++把类型分成内置类型(基本类型)和自定义类型。内置类型就是语言提供的原生数据类型，如：int/char/double/指针等，自定义类型就是我们使用class/struct等关键字自己定义的类型。

首先来实现一下无参构造，函数名与类名相同

如果我们没有显式实现，编译器自动生成的话，这里并没有初始化，给的是随机值（vs2022）

再看一下带参构造，这里构造函数可以重载

全缺省构造函数

如果留下三个构造中的第二个带参构造，第一个和第三个注释掉，那么上图代码会编译报错：error C2512: “Date”: 没有合适的默认构造函数可用。但是如果只有全缺省构造函数就不会出问题。

对于自定义类型，要求调用这个成员变量的默认构造函数初始化。如果这个成员变量，没有默认构造函数，那么就会报错。如下代码所示：

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:Stack(int n = 4){_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;}// ...
private:STDataType * _a;size_t _capacity;size_t _top;
};
// 两个Stack实现队列
class MyQueue
{
public://编译器默认生成 MyQueue 的构造函数调用了Stack的构造，完成了两个成员的初始化
private:Stack pushst;Stack popst;
};
int main()
{MyQueue mq;return 0;
}

调试可以看到，mq对象调用了Stack的构造函数。

3.析构函数

析构函数与构造函数功能相反，析构函数不是完成对对象本身的销毁，比如局部对象是存在栈帧的，函数结束栈帧销毁，他就释放了，不需要我们管，C++规定对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理释放工作。析构函数的功能类比我们之前Stack实现的Destroy功能，而像Date没有Destroy，其实就是没有资源需要释放，所以严格说Date是不需要析构函数的。

析构函数的特点：

1. 析构函数名是在类名前加上字符 ~。

2. 无参数无返回值。 (这里跟构造类似，也不需要加void)

3. 一个类只能有一个析构函数。若未显式定义，系统会自动生成默认的析构函数。

4. 对象生命周期结束时，系统会自动调用析构函数。

5. 跟构造函数类似，我们不写编译器自动生成的析构函数对内置类型成员不做处理，自定类型成员会调用他的析构函数。

6. 还需要注意的是我们显式写析构函数，对于自定义类型成员也会调用他的析构，也就是说自定义类型成员无论什么情况都会自动调用析构函数。

7. 如果类中没有申请资源时，析构函数可以不写，直接使用编译器生成的默认析构函数，如Date；如果默认生成的析构就可以用，也就不需要显式写析构，如MyQueue；但是有资源申请时，一定要自己写析构，否则会造成资源泄漏，如Stack。

8. 一个局部域的多个对象，C++规定后定义的先析构。

析构和构造功能上相反，同样两个栈实现队列，不写析构函数的话，也会调用成员变量的析构函数

但是如果显式写析构，也会自动调用Stack的析构。

4.拷贝构造函数

如果一个构造函数的第一个参数是自身类类型的引用，且任何额外的参数都有默认值，则此构造函数也叫做拷贝构造函数，也就是说拷贝构造是一个特殊的构造函数。

拷贝构造的特点：

1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载。

2. 拷贝构造函数的第一个参数必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发无穷递归调用。

3. C++规定自定义类型对象进行拷贝行为必须调用拷贝构造，所以这里自定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成。

4. 若未显式定义拷贝构造，编译器会生成自动生成拷贝构造函数。自动生成的拷贝构造对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(一个字节一个字节的拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造。

5. 像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的拷贝构造就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显式实现拷贝构造。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器自动生成的拷贝构造完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝(对指向的资源也进行拷贝)。像MyQueue这样的类型内部主要是自定义类型Stack成员，编译器自动生成的拷贝构造会调用Stack的拷贝构造，也不需要我们显式实现MyQueue的拷贝构造。这里还有一个小技巧，如果一个类显式实现了析构并释放资源，那么他就需要显式写拷贝构造，否则就不需要。

6. 传值返回会产生一个临时对象调用拷贝构造，传值引用返回，返回的是返回对象的别名(引用)，没有产生拷贝。但是如果返回对象是一个当前函数局部域的局部对象，函数结束就销毁了，那么使用引用返回是有问题的，这时的引用相当于一个野引用，类似一个野指针一样。传引用返回可以减少拷贝，但是一定要确保返回对象，在当前函数结束后还在，才能用引用返回。

拷贝构造是构造的一个重载，拷贝构造的第一个参数必须是自身类型的引用，这里d1是调用构造，d2调用的是拷贝构造，拷贝构造还可以写成Date d2 = d1，但是为什么要使用引用呢？（因为调用拷贝构造是用来初始化新建对象的，所以我们不期望引用的对象被修改，所以最好加上const关键字修饰）

首先C++ 对于传参有以下两个规定：
1. 如果传的是内置类型（如 int、char 等），则直接将值拷贝给形参。
2. 如果传的是自定义类型，则需要通过调用该类的拷贝构造函数来初始化形参（即局部对象）。

假设我要调用一个函数Func1，当传值传参d1时会调用拷贝构造，拷贝构造初始化完形参后，才会进入Func函数。如下图：

而如果我们拷贝构造没有使用引用，使用值传递方式时，在拷贝给形参的过程中会调用拷贝构造函数。而如果拷贝构造函数的参数也是值传递，那么就会再次触发拷贝构造函数的调用，以此类推，形成无限递归调用。

如下图举例：当执行到Date d2（d1）;时，会调用拷贝构造函数Date(Date d)来初始化d2，但由于参数d是值传递，这就需要d1拷贝给d，而这个拷贝过程又会调用拷贝构造函数，如此反复，导致无限递归。

另外如果使用指针传参，并不是拷贝构造，注意不要搞错了

对于传值返回，如下图：当调用函数Func2时，在函数中构造了一个tmp对象，在返回tmp对象时会调用拷贝构造出一个临时对象。

具体如下图：

注意：现代编译器可能会对其进行优化，避免不必要的拷贝构造调用，这种优化称为返回值优化或具名返回值优化。但在理解上还是如下图一样思考。

这里一共调用了两次拷贝构造，那我们能不能传引用返回来减少拷贝构造呢？答案是不可以，为什么呢？

首先编译会报错如下图，因为我们在调用Func函数时会建立栈帧，在栈帧上创建了一个临时变量tmp，如果我们返回tmp的引用，在函数结束时，栈帧销毁，tmp临时变量也跟着销毁，这个时候tmp就是一个野引用。

像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的拷贝构造就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显式实现拷贝构造。如下图，将自己编写的拷贝构造注释，调用编译器自动生成的，没有什么问题。

但是，像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器自动生成的拷贝构造完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝(对指向的资源也进行拷贝)。像MyQueue这样的类型内部主要是自定义类型Stack成员，编译器自动生成的拷贝构造会调用Stack的拷贝构造，也不需要我们显式实现MyQueue的拷贝构造。

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:Stack(int n = 4){_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;}Stack(const Stack& st){// 需要对_a指向资源创建同样大的资源进行再拷贝值_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * st._capacity);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败!!!");return;}memcpy(_a, st._a, sizeof(STDataType) * st._top);_top = st._top;_capacity = st._capacity;}void Push(STDataType x){if (_top == _capacity){size_t newcapacity = _capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity *sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}_a = tmp;_capacity = newcapacity;}_a[_top++] = x;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}
private:STDataType* _a;size_t _capacity;size_t _top;
};
//两个Stack实现队列
class MyQueue
{
public:
private:Stack pushst;Stack popst;
};
int main()
{Stack st1;st1.Push(1);st1.Push(2);//Stack不显式实现拷贝构造，用自动生成的拷贝构造完成浅拷贝//会导致st1和st2里面的_a指针指向同一块资源，析构时会析构两次，程序崩溃Stack st2 = st1;MyQueue mq1;//MyQueue自动生成的拷贝构造，会自动调用Stack拷贝构造完成pushst/popst//的拷贝，只要Stack拷贝构造自己实现了深拷贝，他就没问题MyQueue mq2 = mq1;return 0;
}

如果只是简单的值拷贝，会出现如下图所示的情况：

5.赋值运算符重载

5.1运算符重载

• 当运算符被用于类类型的对象时，C++语言允许我们通过运算符重载的形式指定新的含义。C++规定类类型对象使用运算符时，必须转换成调用对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错。

• 运算符重载是具有特名字的函数，他的名字是由operator和后面要定义的运算符共同构成。和其他函数一样，它也具有其返回类型和参数列表以及函数体。

• 重载运算符函数的参数个数和该运算符作用的运算对象数量一样多。一元运算符有一个参数，二元运算符有两个参数，二元运算符的左侧运算对象传给第一个参数，右侧运算对象传给第二个参数。

• 如果一个重载运算符函数是成员函数，则它的第一个运算对象默认传给隐式的this指针，因此运算符重载作为成员函数时，参数比运算对象少一个。

• 运算符重载以后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持一致。

• 不能通过连接语法中没有的符号来创建新的操作符：比如operator@。

• .* :: sizeof ?: . 注意以上5个运算符不能重载。(选择题里面常考，大家要记一下）

• 重载操作符至少有一个类类型参数，不能通过运算符重载改变内置类型对象的含义，如： int operator+(int x, int y)

• 一个类需要重载哪些运算符，是看哪些运算符重载后有意义，比如Date类重载operator-就有意义，但是重载operator+就没有意义。（因为日期类-日期类是两个日期相差的时间，日期类+日期类就没有什么意义，但是可以重载为日期类+int类型）

• 重载++运算符时，有前置++和后置++，运算符重载函数名都是operator++，无法很好的区分。C++规定，后置++重载时，增加一个int形参，跟前置++构成函数重载，方便区分。

• 重载<<和>>时，需要重载为全局函数，因为重载为成员函数，this指针默认抢占了第一个形参位置，第一个形参位置是左侧运算对象，调用时就变成了对象<<cout，不符合使用习惯和可读性。重载为全局函数把ostream/istream放到第一个形参位置就可以了，第二个形参位置当类类型对象。

不能通过运算符重载改变内置类型对象的含义，如下编译会报错。

对于5个不能重载的运算符，可能大家对第一个 .* 不太熟悉，这里就给大家浅浅介绍一下

我们先使用typedef声明一个成员函数指针，然后再给函数指针赋值，一般情况，直接把函数名赋值给函数指针就可以，但是 C++ 规定成员函数要加 & 才能取到函数指针，所以下面编译会报错

一般函数指针回调只需要（*pf）()；，但是成员函数有隐含的this指针，所以我们也要隐式传地址，那么就需要通过类对象来隐式传，这个时候就会出现.*运算符。如下图：

首先，如果重载为全局函数，会面临访问私有成员变量的问题，如下编译会报错：

那有啥办法呢？

1 、成员放公有

2 、 Date 提供 getxxx 函数（在类中实现一个获取成员变量的函数，然后在类外可以调用函数来访问成员变量）

3 、友元函数（这个后面类和对象（下）会讲到）

4 、重载为成员函数

这里建议重载为成员函数，这样更方便

如下图所示：重载运算符==为成员函数，在调用时有两种方式可以调用。

5.2赋值运算符重载

赋值运算符重载是一个默认成员函数，用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，这里要注意跟拷贝构造区分，拷贝构造用于一个对象拷贝初始化给另一个要创建的对象。

赋值运算符重载的特点：

1. 赋值运算符重载是一个运算符重载，规定必须重载为成员函数。赋值运算重载的参数建议写成const 当前类类型引用，否则传值传参会有拷贝

2. 有返回值，且建议写成当前类类型引用，引用返回可以提高效率，有返回值目的是为了支持连续赋值场景。

3. 没有显式实现时，编译器会自动生成一个默认赋值运算符重载，默认赋值运算符重载行为跟默认构造函数类似，对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(一个字节一个字节的拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造。

4. 像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的赋值运算符重载就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显式实现赋值运算符重载。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器自动生成的赋值运算符重载完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝(对指向的资源也进行拷贝)。像MyQueue这样的类型内部主要是自定义类型Stack成员，编译器自动生成的赋值运算符重载会调用Stack的赋值运算符重载，也不需要我们显式实现MyQueue的赋值运算符重载。这里还有一个小技巧，如果一个类显式实现了析构并释放资源，那么他就需要显式写赋值运算符重载，否则就不需要。

这里要区分和拷贝构造的区别，赋值运算符重载用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，拷贝构造用于一个对象拷贝初始化给另一个要创建的对象。赋值重载的if语句是为了减少自己给自己赋值这种不必要的操作，并且传引用返回可以减少拷贝（注意这里的传值返回并不会出现上面讲到的野引用问题，因为这里返回的是对象本身，对象本身并不是赋值重载函数中的临时变量）

有返回值是为了可以连续赋值，内置类型就可以连续赋值，以 C++ 为例，假设我们有内置类型的变量，如整数 int a, b, c; ，可以通过以下方式进行连续赋值：

a = b = c = 5; 这样的连续赋值是从右往左依次进行的，首先将 5 赋值给 c ，然后将 c 的值（此时为 5）赋值给 b ，最后将 b 的值（此时为 5）赋值给 a 。所以为了像内置类型一样，就需要利用返回值来进行连续赋值

如下图：

另外需要注意一下赋值运算符重载的第3和4点

5.3日期类的实现

Date.h

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
class Date
{// 友元函数声明friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
public:// 获取某年某月的天数int GetMonthDay(int year, int month){assert(month > 0 && month < 13);static int MonthDay[13] = { -1, 31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 };if (month == 2 && ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || year % 400 == 0)){return 29;}else{return MonthDay[month];}}bool CheckDate();void Print();// 全缺省的构造函数Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1);// 拷贝构造函数// d2(d1)Date(const Date& d);// 赋值运算符重载// d2 = d3 -> d2.operator=(&d2, d3)Date& operator=(const Date& d);// 日期+=天数Date& operator+=(int day);// 日期+天数Date operator+(int day);// 日期-天数Date operator-(int day);// 日期-=天数Date& operator-=(int day);// 前置++Date& operator++();// 后置++Date operator++(int);// 后置--Date operator--(int);// 前置--Date& operator--();// >运算符重载bool operator>(const Date& d);// ==运算符重载bool operator==(const Date& d);// >=运算符重载bool operator >= (const Date& d);// <运算符重载bool operator < (const Date& d);// <=运算符重载bool operator <= (const Date& d);// !=运算符重载bool operator != (const Date& d);// 日期-日期 返回天数int operator-(const Date& d);private:int _year;int _month;int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
istream& operator>>(istream& in, Date& d);

Date.cpp

#include "Date.h"Date::Date(int year, int month, int day)
{		_year = year;_month = month;_day = day;if (!CheckDate()){cout << "非法日期：";}
}Date::Date(const Date& d)
{_year = d._year;_month = d._month;_day = d._day;
}bool Date::CheckDate()
{if (_month < 1 || _month > 13|| _day < 1 || _day > GetMonthDay(_year, _month)){return false;}else{return true;}
}void Date::Print()
{cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}// 赋值运算符重载
Date& Date::operator=(const Date& d)
{if (this != &d){_year = d._year;_month = d._month;_day = d._day;}return *this;
}// ==运算符重载
bool Date::operator==(const Date& d)
{return _year == d._year&& _month == d._month&& _day == d._day;
}// <运算符重载
bool Date::operator < (const Date& d)
{if (_year < d._year){return true;}else if (_year == d._year){if (_month < d._month){return true;}else if (_month == d._month){return _day < d._day;}}return false;
}// <=运算符重载
bool Date::operator <= (const Date& d)
{return *this < d || *this == d;
}// !=运算符重载
bool Date::operator != (const Date& d)
{return !(*this == d);
}// >运算符重载
bool Date::operator>(const Date& d)
{return !(*this <= d);
}// >=运算符重载
bool Date::operator >= (const Date& d)
{return !(*this < d);
}// 日期+=天数
Date& Date::operator+=(int day)
{if (day < 0){return *this -= -day;}_day += day;while (_day > GetMonthDay(_year, _month)){_day -= GetMonthDay(_year, _month);++_month;if (_month == 13){_month = 1;++_year;}}return *this;
}// 日期+天数
Date Date::operator+(int day)
{Date tmp = *this;tmp += day;return tmp;
}// 日期-=天数
Date& Date::operator-=(int day)
{if (day < 0){return *this += -day;}_day -= day;while (_day <= 0){--_month;if (_month == 0){_month = 12;--_year;}_day += GetMonthDay(_year, _month);}return *this;
}// 日期-天数
Date Date::operator-(int day)
{Date tmp = *this;tmp -= day;return tmp;
}// 前置++
Date& Date::operator++()
{*this += 1;return *this;
}// 后置++
Date Date::operator++(int)
{Date tmp = *this;*this += 1;return tmp;
}// 前置--
Date& Date::operator--()
{*this -= 1;return *this;
}// 后置--
Date Date::operator--(int)
{Date tmp = *this;*this -= 1;return tmp;
}// 日期-日期 返回天数
int Date::operator-(const Date& d)
{int flag = 1;Date max = *this;Date min = d;if (*this < d){max = d;min = *this;flag = -1;}int n = 0;while (min != max){++n;++min;}return n * flag;
}ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << '/' << d._month << '/' << d._day << endl;return out;
}istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{cout << "请依次输入年月日：";in >> d._year >> d._month >> d._day;if (!d.CheckDate()){cout << "非法日期：";}return in;
}

6.取地址运算符重载

6.1const成员函数

• 将const修饰的成员函数称之为const成员函数，const修饰成员函数放到成员函数参数列表的后面。

• const实际修饰该成员函数隐含的this指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。const 修饰Date类的Print成员函数，Print隐含的this指针由 Date* const this 变为 const Date* const this

const 成员函数的主要特点和作用包括：

1. 保证在函数内部不会修改类的数据成员。这使得编译器能够对代码进行更多的优化，并为调用者提供一种保证，即调用该函数不会导致对象状态的改变。
2. 对于 const 对象，只能调用其 const 成员函数。如果试图对 const 对象调用非 const 成员函数，将会导致编译错误。

6.2取地址运算符重载

取地址运算符重载分为普通取地址运算符重载和const取地址运算符重载，一般这两个函数编译器自动生成的就可以够我们用了，不需要去显式实现。除非一些很特殊的场景，比如我们不想让别人取到当前类对象的地址，就可以自己实现一份，胡乱返回一个地址。

class Date
{
public:Date* operator&(){return this;// return nullptr;}const Date* operator&()const{return this;// return nullptr;}
private:int _year;int _month; int _day; 
};