【C++】类与对象(二)

前言

在前一章时我们已经介绍了类与对象的基本知识，包括类的概念与定义，以及类的访问限定符，类的实例化，类的大小的计算，以及C语言必须传递的this指针（C++中不需要我们传递，编译器自动帮我们实现）

但是仅仅只有这些还是不够的，类是面向对象编程语言的重中之重，对于它的理解我们应该继续深入，下面介绍类中的类中的6个默认成员函数中的前三个。

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一、类的6个默认成员函数

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。
空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成以下6个默认成员函数。

默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

空类：

class Date
{};

二、构造函数

1、 引入

对于构造函数的使用场景我们先来看一段简单都代码：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:void Init(int _capacity = 4)//缺省参数{DataType* tmp = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * _capacity);if (nullptr == tmp){perror("malloc fail:");exit(-1);}_a = tmp;_Top = 0;_capacity = _capacity;}void Push(int num){//判断是否应该扩容if (_Top - 1 == _capacity){_capacity *= 2;DataType* tmp = (DataType*)realloc(_a,sizeof(DataType) * _capacity);if (nullptr == tmp){perror("malloc fail:");exit(-1);}_a = tmp;}_a[_Top] = num;_Top++;}
private:DataType* _a;int _Top;int _capacity;
};
int main()
{Stack s1;s1.Push(1);s1.Push(2);s1.Push(3);return 0;
}

运行之后崩了，思考为什么？

答案是：我们没有进行初始化我们的栈，我们没有给空间，自然而然就无法插入数据了！这是很正常的，对于这样没有初始化然后崩溃的例子有很多，我们每次都要使用栈时都要进行初始化，这让我们很不舒服，可不可以当我们创建对象时自动帮我们进行初始化呢？答案是可以的，那便是构造函数！

2、概念

构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同,创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有 一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次。

3、特性

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，而是初始化对象。
其特征如下：

1. 函数名与类名相同。
2. 无返回值并且不允许我们写返回值。
3. 对象实例化时编译器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(大白话：自己写构造函数)，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。

前面我们说了，当我们在类中在什么都不写时编译器会自动帮我们生成构造函数，当然编译器自动生成的构造函数未必是我们想要的，我们也可以自己写构造函数，当我们自己写了构造函数，那编译器就不会再为我们生成构造函数了。

那么我们来改造一下上面的这个代码吧

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4)//缺省参数，此类构造函数可以传也可以不传递形参{DataType* tmp = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (nullptr == tmp){perror("malloc fail:");exit(-1);}_a = tmp;_Top = 0;_capacity = capacity;}void Push(int num){//判断是否应该扩容if (_Top - 1 == _capacity){_capacity *= 2;DataType* tmp = (DataType*)realloc(_a, sizeof(DataType) * _capacity);if (nullptr == tmp){perror("malloc fail:");exit(-1);}_a = tmp;}_a[_Top] = num;_Top++;}
private:DataType* _a;int _Top;int _capacity;
};
int main()
{Stack s1(20);//此处不是函数调用，而是类的实例化顺便给构造函数传参数//Stack s1;    //如果是这样则会采用缺省值，即默认开辟4个int类型的空间大小。s1.Push(1);s1.Push(2);s1.Push(3);s1.Push(4);s1.Push(5);s1.Push(6);s1.Push(7);return 0;
}

代码运行成功了，说明编译器自动帮我们调用了我们写的Stack函数


我们再来看一个类的构造函数

#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:Date()//无参数的构造函数{}Date(int year, int month, int day)//函数重载{_year = year;_month = month;_day = day;}void Print(){cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{Date d1();//报错，错误的调用无参构造函数，会被识别为函数声明！！！//warning C4930: “Date d3(void)”: 未调用原型函数(是否是有意用变量定义的?)Date d2;//正确的调用无参构造函数Date d3(2023,2,10);//正确的调用必须传参的构造函数
};

注意：如果通过无参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则就成了函数声明

看完了需要传递参数的构造函数与不需要传递参数的构造函数，我们再来看看编译器自己实现的构造函数

//不写构造函数
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:void Print(){cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{Date d1;d1.Print();return 0;
};

答案很奇怪啊！不是说当我们不写构造函数时，编译器会自己生成一个构造函数吗？并且构造函数的作用就是给对象一个合理的初始化值啊？打印的结果为什么是一个随机值呢？系统生成的构造函数好像没有什么用啊？？？

答案是：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数据类型，如：int/char…，指针，自定义类型就是我们使用class/struct/union等自己定义的类型。对于编译器生成的默认构造函数有以下规则：

对于默认生成的构造函数：

1. 内置类型的成员不做处理
2. 对于自定义类型的成员，会去调用它的默认构造函数。
   （默认构造函数包含了：全缺省的构造函数，不用传递参数的构造函数，以及系统默认生成的构造函数）

对于上面的类由于类中的成员全是内置类型，根据以上规则编译器生成的默认构造函数对内置类型不做处理，于是我们看到的还是随机值。

我们看下面一个代码帮助你理解此条规则

#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:Time(){cout << "Time()" << endl;_hour = 0;_minute = 0;_second = 0;}
private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
private:// 基本类型(内置类型)int _year;int _month;int _day;// 自定义类型Time _t;
};
int main()
{Date d;return 0;
}

看完这个例子相信你对这条规则以及有所了解了，但是我们还有一个问题？我们就想让内置类型与自定义类型一起初始化该怎么办呢？

6 .C++11 中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。(类似缺省参数)

#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:Time(){cout << "Time()" << endl;_hour = 0;_minute = 0;_second = 0;}
private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
private:// 基本类型(内置类型)int _year = 2023;   //给默认值int _month = 2;    //给默认值int _day = 1;     //给默认值// 自定义类型Time _t;
};
int main()
{Date d;return 0;
}

7.无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个。
注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。

class Date
{
public:
Date()
{
_year = 1900;
_month = 1;
_day = 1;
}
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
// 以下测试函数能通过编译吗？
int main()
{Date d1;return 0;
}

答案是不能，没有传递参数，函数不知道是应该调用无参的函数还是调用全缺省的函数

三、析构函数

1、概念

通过前面构造函数的学习，我们知道一个对象是怎么来的，那一个对象又是怎么没呢的？
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，局部对象销毁工作是由编译器完成的。而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工作。

2、特性

析构函数是特殊的成员函数，其特征如下：

1. 析构函数名是在类名前加上字符 ~。
2. 无参数无返回值类型。
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。注意：析构函数不能重载
4. 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数。

实例代码：

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 3){_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (NULL == _array){perror("malloc申请空间失败!!!");return;}_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(DataType data){// CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}// 析构函数~Stack(){if (_array){free(_array);_array = NULL;_capacity = 0;_size = 0;}cout << "~Stack()" << endl;}
private:DataType* _array;int _capacity;int _size;
};
int main()
{Stack s;s.Push(1);s.Push(2);
}

5. 关于编译器自动生成的析构函数，是否会完成一些事情呢？下面的程序我们会看到，编译器生成的默认析构函数，对自定类型成员调用它的析构函数。

#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:~Time(){cout << "~Time()" << endl;}
private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
private:// 基本类型(内置类型)int _year = 1970;int _month = 1;int _day = 1;// 自定义类型Time _t;
};
int main()
{Date d;return 0;
}

程序运行结束后输出：~Time()
在main方法中根本没有直接创建Time类的对象，为什么最后会调用Time类的析构函数？
因为：main方法中创建了Date对象d，而d中包含4个成员变量，其中 _year, month, day三个是内置类型成员，销毁时不需要资源清理，最后系统直接将其内存回收即可；

而_t是Time类对象，所以在d销毁时，要将其内部包含的Time类的 _t 对象销毁，所以要调用Time类的析构函数。

但是：main函数中不能直接调用Time类的析构函数，实际要释放的是Date类对象，所以编译器会调用Date类的析构函数，而Date没有显式提供，则编译器会给Date类生成一个默认的析构函数，目的是在其内部调用Time类的析构函数，即当Date对象销毁时，要保证其内部每个自定义对象都可以正确销毁。

main函数中并没有直接调用Time类析构函数，而是显式调用编译器为Date类生成的默认析构函数。

注意：创建哪个类的对象则调用该类的析构函数，销毁那个类的对象则调用该类的析构函数

四、拷贝构造函数

1、概念

在我们使用类创建对象时，难免会发生拷贝行为，例如创建对象时，可否创建一个与已存在对象一某一样的新对象呢？

拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

a.为什么需要拷贝构造？

C/C++编译器拷贝变量时，并不是一件简单的事情，对于内置类型来说C/C++编译器可以自己拷贝（按照一个字节一个字节拷贝），对于自定义类型C/C++编译器不能进行拷贝，只有通过拷贝函数来进行拷贝。

（栈的拷贝要使用拷贝函数进行深拷贝！！！）

2、特征

拷贝构造函数也是特殊的成员函数，其特征如下：

1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。

//拷贝构造函数
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1){_year = year;_month = month;_day = day;}//Date(const Date d) // 错误写法：编译报错，会引发无穷递归Date(const Date& d) // 正确写法{_year = d._year;_month = d._month;_day = d._day;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{Date d1;Date d2(d1);//利用拷贝构造创建一个与d1相同的d2//Date d2 = d1;//与上一行的意思一致，要调用拷贝构造return 0;
}

2. 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。

当我们想创建一个与d1相同数据的d2时要调用拷贝函数，
①调用拷贝函数要传递参数由于参数是形参，形参是实际参数的一份临时拷贝。
②于是我们又要调用拷贝函数，调用拷贝函数要传递参数由于参数是形参，形参是实际参数的一份临时拷贝。
③于是我们又又要调用拷贝函数，调用拷贝函数要传递参数由于参数是形参，形参是实际参数的一份临时拷贝。
④于是我们又又又要调用拷贝函数，调用拷贝函数要传递参数由于参数是形参，形参是实际参数的一份临时拷贝。
…
…
…

逻辑图：

还有一个问题就是拷贝构造的参数我们为什么要加const呢？
答案是：怕我们拷贝反了！

3.若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。

//默认生成的拷贝构造函数
#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:Time(){_hour = 1;_minute = 1;_second = 1;}Time(const Time& t){_hour = t._hour;_minute = t._minute;_second = t._second;cout << "Time::Time(const Time&)" << endl;}
private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
private:// 基本类型(内置类型)int _year = 1970;int _month = 1;int _day = 1;// 自定义类型Time _t;
};
int main()
{Date d1;// 用已经存在的d1拷贝构造d2，此处会调用Date类的拷贝构造函数// 但Date类并没有显式定义拷贝构造函数，则编译器会给Date类生成一个默认的拷贝构造函数Date d2(d1);return 0;
}

注意：在编译器生成的默认拷贝构造函数中，内置类型是按照字节方式直接拷贝的，而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的。

4.类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数是否写都可以；一旦涉及到资源申请时，则拷贝构造函数是一定要写的，否则就是浅拷贝。

思考一个问题：编译器生成的默认拷贝构造函数已经可以完成字节序的值拷贝了，对于内置类型我们还又必要写拷贝构造吗？答案是要不要写拷贝构造，我们还是要参考拷贝构造的特性4,有没有涉及支援申请！！！

我们看下面一段代码：

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:Stack(size_t capacity = 10){_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_size = 0;_capacity = capacity;}void Push(const DataType& data){// CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}~Stack(){if (_array){free(_array);_array = nullptr;_capacity = 0;_size = 0;}}
private:DataType* _array;size_t _size;size_t _capacity;
};
int main()
{Stack s1;s1.Push(1);s1.Push(2);s1.Push(3);s1.Push(4);return 0;
}

上面的代码需要拷贝构造，不然两个栈会相互影响！可以看到拷贝构造的特性4就是我们写不写拷贝构造的依据！

3.拷贝构造函数典型调用场景

1. 使用已存在对象创建新对象
2. 函数参数类型为类类型对象
3. 函数返回值类型为类类型对象

提醒：为了提高程序效率，一般对象传参时，尽量使用引用类型，返回时根据实际场景，能用引用尽量使用引用。

五、结语

本章的内容对于初学者来说挺难的，但是这些成员函数非常重要，务必要好好理解！学会它们后相信你的水平会有进一步提高！