C++基础——类与对象

1 概述

C++是面向对象的语言，面向对象语言三大特性：封装、继承、多态。
C++将万事万物抽象为对象，对象上有其属性和行为。

2 封装

2.1 封装的意义

封装是面向对象的三大特性之一，封装将属性和行为作为一个整体，对属性和行为加以权限控制。
创建类语法：

class 类名 {
访问权限:属性;行为;
};

示例：

class Student {
private:string m_name;int m_age;
public:Student(string name, int age) {m_name = name;m_age = age;}string getName() {return m_name;}
};

上面除了定义属性和行为，也定义了权限访问控制符
C++包含三种访问控制符：

  • public 可被类中函数、子类函数、友元函数和类对象访问
  • protected 可被类中函数、子类函数、友元函数访问
  • private 可被类中函数和友元函数访问

2.2 struct和class区别

二者的区别在于默认的访问权限不同，struct默认访问权限为public，class默认访问权限为private

#include <iostream>
using namespace std;class C1 {int m_A;
};struct S1 {int m_A;
};int main() {C1 c1;//c1.m_A; 报错，无法访问S1 s1;s1.m_A = 10;return 0;
}

2.3 成员属性设置为私有

通常，将成员属性设置为私有，并提供设置和获取的方法。
这样的好处是可以控制成员属性的访问权限，对于写权限，能够检测数据的有效性。

class Test {
public://num1提供读写接口void setNum1(int num1) {m_num1 = num1;}int getNum1() {return m_num1;}//num2只提供读接口int getNum2() {return m_num2;}//num3只提供写接口，并判定数据范围void setNum3(int num3) {if (num3 > 0) {m_num3 = num3;} else {m_num3 = 0;}}private:int m_num1;int m_num2;int m_num3;
};

封装的思想通常会将属性设置为私有，暴露必要的修改行为给外部。

3 对象创建和清理

3.1 构造函数和析构函数

一个类具有最基础的两个函数是构造函数和析构函数，即使程序员未添加这两个函数，编译器也会生成一个默认的版本。
其中构造函数用于为类创建一个对象，并进行一些初始化的工作。
析构函数与构造函数相反，是为了清理一个对象，并释放资源。
构造函数和析构函数都是由编译器自动调用。

class Test {
private:int m_num;
public:Test();Test(int num) {m_num = num;}~Test();
};

构造函数可以重载，而析构函数只能有一个。构造函数可以通过传入不同的参数来重载，而析构函数没有参数。
当未定义构造函数和析构函数时，编译器会自动生成以下两个实现：

Test(){}
~Test(){}

默认会生成两个空实现。
而如果提供了有参构造函数，则编译器不会提供默认的空参构造函数，如果有此使用场景，则需要自己再提供一个空参构造函数。

3.2 构造函数分类及调用方式

构造函数有两种分类方式：
按参数分为：有参构造和无参构造
按类型分类：普通构造和拷贝构造
三种调用方式：
括号法
显示法
隐藏转换法

#include <iostream>using namespace std;class Person {
public://无参构造函数Person() {cout << "无参构造函数" << endl;}//有参构造函数Person(int age) {cout << "有参构造函数" << endl;m_age = age;}//拷贝构造函数Person(const Person &person) {cout << "拷贝构造函数" << endl;m_age = person.m_age;}~Person() {cout << "析构函数" << endl;}public:int m_age;
};void test1() {//调用无参构造函数Person p1;//显示调用无参构造函数Person p2 = Person();//调用拷贝构造函数Person P3(p1);
}void test2() {//括号法Person p1(10);//括号不能用于调用无参构造函数，这样定义会被认为是一个函数声明//Person p();//显示法Person p2 = Person(10);Person p3 = Person(p2);//创建匿名对象，无法使用，直接析构Person();Person(10);//隐式转换法，隐式调用有参构造函数和拷贝构造函数Person p4 = 10;Person p5 = p4;//不能利用拷贝构造初始化匿名对象，会被认为是对象声明//Person p6(p4);
}int main() {test1();test2();
}

输出：

无参构造函数
无参构造函数
拷贝构造函数
析构函数
析构函数
析构函数
有参构造函数
有参构造函数
拷贝构造函数
无参构造函数
析构函数
有参构造函数
析构函数
有参构造函数
拷贝构造函数
析构函数
析构函数
析构函数
析构函数
析构函数

比较需要注意的是隐藏转换法

3.3 拷贝构造函数的调用时机

调用拷贝构造函数有三种情况：

  • 使用一个已有的对象去初始化另一个对象
  • 值传递的方式给对象类型参数传值
  • 以值的方式返回局部对象
#include <iostream>using namespace std;class Person {
public://无参构造函数Person() {cout << "无参构造函数" << endl;}//有参构造函数Person(int age) {cout << "有参构造函数" << endl;m_age = age;}//拷贝构造函数Person(const Person &person) {cout << "拷贝构造函数" << endl;m_age = person.m_age;}~Person() {cout << "析构函数" << endl;}public:int m_age;
};void test1() {//调用有参构造函数Person p1(10);//括号法调用拷贝构造函数Person p2(p1);//隐式转换法调用拷贝构造函数Person p3 = p1;//显示调用拷贝构造函数Person p4 = Person(p1);//赋值操作，不会调用拷贝构造函数Person p5;p5 = p1;
}void doSomething1(Person p){}
void test2() {Person p;//对象赋值给形参，调用拷贝构造函数doSomething1(p);
}Person doSomething2() {Person p;return p;
}
void test3() {Person p = doSomething2();
}int main() {test1();test2();test3();
}

输出：

有参构造函数
拷贝构造函数
拷贝构造函数
拷贝构造函数
无参构造函数
析构函数
析构函数
析构函数
析构函数
析构函数
无参构造函数
拷贝构造函数
析构函数
析构函数
无参构造函数
析构函数

最后返回局部对象与预想中有差异是因为编译器优化，感兴趣可以搜索RVO了解。
由于返回值和值传递传对象都会导致对象复制，对象大小会随着属性的增加而增加，所以一般对象作为参数的时候，都是使用引用或者指针进行传参或返回。

3.4 构造函数调用规则

默认情况下，C++编译器会至少给一个类添加3个函数：

  • 默认构造函数（无参构造函数，实现为空）
  • 默认析构函数（空实现析构函数）
  • 默认拷贝构造函数（对定义的属性进行拷贝）

构造函数生成规则如下：

  • 如果用户定义有参构造函数，则编译器不会提供默认无参构造函数，但还是会提供默认拷贝构造函数
  • 如果用户定义拷贝构造函数，则编译器不会提供默认无参构造函数

1、使用编译器默认函数

class Person {
public:int m_age;
};int main() {Person p1;p1.m_age = 10;Person p2 = p1;cout << "p2.m_age = " << p2.m_age << endl;
}

这里调用了默认无参构造和拷贝构造函数。析构函数由于没有实现所以无法体现。

2、提供有参构造的情况

class Person {
public://无参构造函数//Person() {//    cout << "无参构造函数" << endl;//}//有参构造函数Person(int age) {cout << "有参构造函数" << endl;m_age = age;}//拷贝构造函数Person(const Person &person) {cout << "拷贝构造函数" << endl;m_age = person.m_age;}~Person() {cout << "析构函数" << endl;}public:int m_age;
};

在这里插入图片描述
没有匹配的构造函数调用，编译器不提供默认构造函数。
3、提供拷贝构造函数

class Person {
public://拷贝构造函数Person(const Person &person) {cout << "拷贝构造函数" << endl;m_age = person.m_age;}~Person() {cout << "析构函数" << endl;}public:int m_age;
};

在这里插入图片描述
提供了拷贝构造函数后，不会提供默认无参构造函数。

3.5 深拷贝和浅拷贝

浅拷贝：简单的赋值拷贝，指向同一个内存区域
深拷贝：在堆中重新申请空间，进行拷贝

class Person {
public://无参（默认）构造函数Person() {cout << "无参构造函数!" << endl;}//有参构造函数Person(int age ,int height) {cout << "有参构造函数!" << endl;m_age = age;m_height = new int(height);}//拷贝构造函数  Person(const Person& p) {cout << "拷贝构造函数!" << endl;//如果不利用深拷贝在堆区创建新内存，会导致浅拷贝带来的重复释放堆区问题m_age = p.m_age;m_height = new int(*p.m_height);}//析构函数~Person() {cout << "析构函数!" << endl;if (m_height != NULL){delete m_height;}}
public:int m_age;int* m_height;
};void test01()
{Person p1(18, 180);Person p2(p1);cout << "p1的年龄： " << p1.m_age << " 身高： " << *p1.m_height << endl;cout << "p2的年龄： " << p2.m_age << " 身高： " << *p2.m_height << endl;
}int main() {test01();return 0;
}

由于类中的属性是在堆上分配的，如果使用浅拷贝，会导致两个对象的m_height都指向了同一个堆内存区域，而当一个对象析构之后，会释放该内存区域，而另一个对象还在使用该内存区域，会导致不确定的结果。而第二个对象析构时，则会导致重复释放堆区，会导致程序终止。所以如果有堆上分配内存的属性，需要使用深拷贝，重新申请堆内存区域进行赋值。
示例如下：

void test1() {Person p1(18, 180);{Person p2(p1);cout << "p2.height = " << *p2.m_height << endl;}cout << "p1.height = " << *p1.m_height << endl;
}int main() {test1();
}

输出：

有参构造函数
p2.height = 180
析构函数
p1.height = 887973408
析构函数Process finished with exit code -1073740940 (0xC0000374)

上面是注释了深拷贝的结果，p2正常访问，然后p2被析构，此时p1的m_height指向的内存实际已经释放，所以访问该内存会导致不确定的结果，然后p1会重复释放m_height指向的内存，导致程序出错终止。

3.6 初始化列表

C++提供了一种初始化列表的语法来初始化属性

class Person {
public:传统方式初始化//Person(int a, int b, int c) {//    m_A = a;//    m_B = b;//    m_C = c;//}//初始化列表方式初始化Person(int a, int b, int c) :m_A(a), m_B(b), m_C(c) {}void PrintPerson() {cout << "mA:" << m_A << endl;cout << "mB:" << m_B << endl;cout << "mC:" << m_C << endl;}
private:int m_A;int m_B;int m_C;
};int main() {Person p(1, 2, 3);p.PrintPerson();return 0;
}

初始化列表的语法可以省略原始构造函数中的一些模版代码。

3.7 类对象作为类成员

class Phone
{
public:Phone(string name){m_PhoneName = name;cout << "Phone构造" << endl;}~Phone(){cout << "Phone析构" << endl;}string m_PhoneName;
};class Person
{
public://初始化列表可以告诉编译器调用哪一个构造函数Person(string name, string pName) :m_Name(name), m_Phone(pName){cout << "Person构造" << endl;}~Person(){cout << "Person析构" << endl;}void playGame(){cout << m_Name << " 使用" << m_Phone.m_PhoneName << " 牌手机! " << endl;}string m_Name;Phone m_Phone;};
void test01()
{//当类中成员是其他类对象时，我们称该成员为 对象成员//构造的顺序是 ：先调用对象成员的构造，再调用本类构造//析构顺序与构造相反Person p("张三" , "苹果X");p.playGame();}int main() {test01();
}

先调用对象成员的构造函数，然后调用本类的构造函数。析构的时候正好与构造的时候顺序相反。

3.8 静态成员

静态成员就是在成员变量或者成员函数前加上static关键字

  • 静态成员变量
    • 所有对象共享同一份数据
    • 在编译阶段分配内存
    • 类内声明，类外初始化
  • 静态成员函数
    • 所有对象共享同一个函数
    • 静态成员函数只能访问静态成员变量
      1、静态成员变量
class Person
{public:static int m_A; //静态成员变量
private:static int m_B; //静态成员变量也是有访问权限的
};
//类外初始化
int Person::m_A = 10;
int Person::m_B = 10;void test01()
{//静态成员变量两种访问方式//1、通过对象Person p1;p1.m_A = 100;cout << "p1.m_A = " << p1.m_A << endl;Person p2;p2.m_A = 200;cout << "p1.m_A = " << p1.m_A << endl; //共享同一份数据cout << "p2.m_A = " << p2.m_A << endl;//2、通过类名cout << "m_A = " << Person::m_A << endl;//cout << "m_B = " << Person::m_B << endl; //私有权限访问不到
}int main() {test01();
}

静态成员变量也有访问权限，与非静态成员变量的访问权限一样。静态成员变量可以通过对象和类名访问。

class Person
{
public:static void func(){cout << "func调用" << endl;m_A = 100;//m_B = 100; //错误，不可以访问非静态成员变量}static int m_A; //静态成员变量int m_B; // 
private://静态成员函数也是有访问权限的static void func2(){cout << "func2调用" << endl;}
};
int Person::m_A = 10;void test01()
{//静态成员变量两种访问方式//1、通过对象Person p1;p1.func();//2、通过类名Person::func();//Person::func2(); //私有权限访问不到
}int main() {test01();
}

静态成员函数只能访问静态成员变量，也只能直接调用静态成员函数，可以在其中创建对象来调用非静态成员函数，因为非静态成员函数属于对象。静态成员函数也可以通过对象和类名两种方式调用。

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