C++：类和对象全解
C++：类和对象全解
- 一、类的定义和初始化
- （一）类的定义
- 1、类的成员变量
- （1）成员变量
- （2）成员函数
- 2、实例化对象
- （1）采用普通构造函数
- （2）采用初始化列表
- 三、类的补充
- （一）class 和 struct 的区别
- （二) 类域
- （三）类的大小
- （四）this指针
- 三、类的默认成员函数
- （一）构造函数
- （二）析构函数
- （三）拷贝构造函数
- （四）赋值运算符重载
- （五）取地址运算符重载
- 四、const 修饰的函数
- （一）const 修饰成员函数
- （二）const 其他知识点
- 五、类型转换
- 六、static成员
- （一）概念及其特点
- （二）有趣的题目
- 七、友元
- 八、内部类
- 九、匿名对象
- 十、对象拷贝时编译器的优化
- 结束语
一、类的定义和初始化
（一）类的定义
1、类的成员变量
（1）成员变量
类中定义的变量叫做类的成员变量或者属性，C++创建类首先是为了完成对属性的封装，应用访问修饰符private可以使得我们只能在类里面使用这些属性，类外调用不到。此外，成员函数为了与变量区别，在公司中完成项目时会在属性前面或者后面加 -或者m。
（2）成员函数
类中定义的函数称作成员函数或者方法，定义在类里面的成员函数默认设置为inline，提高了函数调用的效率。
2、实例化对象
（1）采用普通构造函数
⽤类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。可以知道，这些是在创建函数栈帧时开辟的空间。
class Date
{
public:
void Init(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print()
{
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
// 这些成员变量只是声明，没有分配空间
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main() {
// Date类实例化出对象d1和d2，⽤类实例化出对象时，才会分配空间。
Date d1;
Date d2;
d1.Init(2024, 3, 31);
d1.Print();
d2.Init(2024, 7, 5);
d2.Print();
return 0;
}
（2）采用初始化列表
初始化列表可以认为是每个成员变量定义初始化的地⽅，按照成员变量在类中声明顺序进⾏初始化。引⽤成员变量，const成员变量，没有默认构造的类类型变量，必须放在初始化列表位置进⾏初始化，否则会编译报错。C++11⽀持在成员变量声明的位置给缺省值，这个缺省值主要是给没有显⽰在初始化列表初始化的成员使⽤的。
⽆论是否显⽰写初始化列表，每个构造函数都有初始化列表；
⽆论是否在初始化列表显⽰初始化，每个成员变量都要⾛初始化列表初始化；
#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:
Time(int hour = 1)
:_hour(hour)
{
cout << "Time()" << endl;
}
private:
int _hour;
};
class Date
{
public:
Date(int& x, int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
, _t(12)
, _ref(x)
, _n(1)
{
// error C2512: “Time”: 没有合适的默认构造函数可⽤
// error C2530 : “Date::_ref” : 必须初始化引⽤
// error C2789 : “Date::_n” : 必须初始化常量限定类型的对象
}
void Print() const
{
cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
Time _t; // 没有默认构造
int& _ref; // 引⽤
const int _n; // const
int temp = 1;
};
int main()
{
int i = 0;
Date d1(i);
d1.Print();
return 0;
}
三、类的补充
（一）class 和 struct 的区别
两者最大的区别就是权限差异，我们提到 类里面的变量默认权限是private,而 struct 的默认权限为public。
// 使用typedef取别名，函数体内还得用struct
typedef struct ListNodeC
{
struct ListNodeC* next;
int val;
}LTNode;
// 不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
// ，函数体内也不用struct
struct ListNodeCPP
{
void Init(int x)
{
next = nullptr;
val = x;
}
ListNodeCPP* next;
int val;
};
（二) 类域
我们在前面的文章https://editor.csdn.net/md/?articleId=142058291中提到这个概念.
类的所有成员都在类的作⽤域中，在类体外定义成员时，需要使⽤ :: 作⽤域操作符指明成员属于哪个类域。类域影响的是编译的查找规则，编译时，在当前域找不到成员的声明/定义在哪⾥，就会报错。指定类域，就是知道Init是成员函数，当前域找不到的成员，就会到类域中去查找。
class Stack
{
public:
// 成员函数
void Init(int n = 4);
private:
// 成员变量
int* array;
size_t capacity;
size_t top;
};
// 声明和定义分离，需要指定类域
void Stack::Init(int n)
{
array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
if (nullptr == array)
{
perror("malloc申请空间失败");
return;
}
capacity = n;
top = 0;
}
（三）类的大小
类的大小和结构体大小计算方式相同，详情可见自定义类型。此外，还有一种情况需要解释，当类中没有成员变量时，用 sizeof来计算类的大小时，编译器会返回 1，只是为了占位证明对象存在，结构体 struct 也相同。
#include<iostream>
using namespace std;
// 计算⼀下A/B/C实例化的对象是多⼤？
class A
{
public:
void Print()
{
cout << _ch << endl;
}
private:
char _ch;
int _i;
};
class B
{
public:
void Print()
{
//...
}
};
class C
{};
struct D
{};
int main()
{
A a;
B b;
C c;
D d;
cout << sizeof(a) << endl;
cout << sizeof(b) << endl;
cout << sizeof(c) << endl;
cout << sizeof(d) << endl;
return 0;
}
（四）this指针
this 指针存在栈区，在vs中通过寄存器 ecx 传递
编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加⼀个当前类类型的指针，叫做this指针。⽐如Date类的Init的真实原型为void Init(Date* const this, int year,int month, int day)。类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this->_year = year。空指针也能访问成员函数，切记此时函数中不能带有成员变量，否则给空指针解引用程序崩溃。
using namespace std;
class Date
{
public:
//下面的函数实际是 void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
void Init(int year, int month, int day)
{
// this = nullptr;
// this->_year = year;
_year = year;
this->_month = month;
this->_day = day;
}
void Print1()
{
if (this == nullptr) {
cout << "空指针访问不带成员变量的函数！" << endl;
}
}
void Print2()
{
if (this == nullptr) {
cout << "空指针访问带成员变量的函数,程序即将崩溃！" << endl;
}
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
// 这⾥只是声明，没有开空间
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main() {
Date a;
a.Init(1,1,1);
a.Print1();
a.Print2();
Date* b = nullptr;
b->Print1();
b->Print2();
return 0;
}
三、类的默认成员函数
（一）构造函数
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。
- 函数名与类名相同。
- ⽆返回值。
- 对象实例化时系统会⾃动调⽤对应的构造函数。
- 构造函数可以重载。
- 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，⼀旦⽤⼾显
式定义编译器将不再⽣成。- 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。- 编译器默认⽣成的构造，对内置类型成员变量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，需要⽤初始化列表调用有参构造才能解决
#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
Stack(int n)
{
_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:
//1、不写默认构造编译器默认⽣成MyQueue的构造函数调⽤了Stack的构造，完成了两个成员的初始化
//2、加了这个默认构造，使用初始话列表初始化
MyQueue()
: pushst(5)
, popst(5)
{}
private:
Stack pushst;
Stack popst;
};
int main()
{
MyQueue mq;
return 0;
}
（二）析构函数
局部对象的在栈帧销毁时销毁，析构函数不是完成对对象本⾝的销毁，而是完成对象中资源的清理释放⼯作。局部对象的销毁在函数栈帧销毁时会调用析构函数，完成对资源的释放。（文件的关闭、动态内存的释放）
- 析构函数名是在类名前加上字符 ~。
- ⽆参数⽆返回值。
- 未显式定义，系统会⾃动⽣成默认的析构函数。
- 对象⽣命周期结束时，系统会⾃动调⽤析构函数。
- 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。 显⽰写析构函数，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。
- 有资源申请时，⼀定要⾃⼰写析构，否则会造成资源泄漏
- ⼀个局部域的多个对象，C++规定后定义的先析构。
（三）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
也叫做拷⻉构造函数
- 拷⻉构造函数是构造函数的⼀个重载。
- 拷⻉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。 拷⻉构造函数也可以多个参数，但是第⼀个参数必须是类类型对象的引⽤，后⾯的参数必须有缺省值。
无穷递归：
- 若未显式定义拷⻉构造，编译器会⽣成⾃动⽣成拷⻉构造函数对内置类型成员变量会完成浅拷⻉(⼀个字节⼀个字节的拷⻉)，对⾃定义类型成员变量会调⽤他的拷⻉构造。
- 如果需要申请资源，必须进行自己写拷贝构造深拷贝。
- 传值返回会产⽣⼀个临时对象调⽤拷⻉构造。引⽤返回，没有产⽣拷⻉。但是如果返回对象是⼀个当前函数局部域的局部对象，这时的引⽤相当于⼀个野引⽤
class Date
{
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
{
_data = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
_data[i] = i;
}
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
Date(const Date& d)
{
cout << " Date(const Date& d)" << endl;
_data = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
_data[i] = i;
}
/*_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;*/
}
void Print()
{
cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}
private:
int* _data;
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024, 7, 5);
Date d2(d1);
return 0;
}
要拷贝就全部拷贝，包括内置类型，不然编译器可能没有初始化哦
（四）赋值运算符重载
完成两个已经存在的对象直接的拷⻉赋值
- 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，否则会传值传参会有拷⻉- 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。
- 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，对内置类型成员变量会完成浅拷⻉(⼀个字节⼀个字节的拷⻉)，对⾃定义类型成员变量会调⽤他的赋值重载函数。
- 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⻉/浅拷⻉不符合我们的需求，所以需要我们⾃⼰实现深拷⻉(对指向的资源也进⾏拷⻉)。
（五）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，不需要去显⽰实现。防御性编程可以自己写！
class Date
{
public:
Date() {
_year = 1;
_month = 1;
_day = 1;
}
Date* operator&()
{
return this;
// return nullptr;
}
const Date* operator&()const
{
return (const Date*)0x00000000;
//return this;
/* return nullptr;*/
}
private:
int _year; // 年
int _month; // ⽉
int _day; // ⽇
};
int main() {
Date a;
const Date b;
cout << &a << endl;
cout << &b << endl;
return 0;
}
这里一定记得要默认构造函数一定要初始化，不然编译器会报错，因为后面用到的const 成员里面的每个成员都是const，要在建立的时候就初始化。
四、const 修饰的函数
（一）const 修饰成员函数
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 修饰类的成员函数， Date* const this 变为 const Date* const this
（二）const 其他知识点
请看链接https://editor.csdn.net/md/?articleId=142058291！
五、类型转换
C++⽀持内置类型隐式类型或者自定义类型转换为类类型对象，需要有相关类型为参数的构造函数。构造函数前⾯加explicit就不再⽀持隐式类型转换。
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
// 构造函数explicit就不再⽀持隐式类型转换
// explicit A(int a1)
A(int a1)
:_a1(a1)
{}
//explicit A(int a1, int a2)
A(int a1, int a2)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{}
void Print()
{
cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
}
int Get() const
{
return _a1 + _a2;
}
private:
int _a1 = 1;
int _a2 = 2;
};
class B
{
public:
B(const A& a)
:_b(a.Get())
{}
private:
int _b = 0;
};
int main()
{
// 构造⼀个A的临时对象，再⽤这个临时对象拷⻉构造aa3
// 编译器遇到连续构造+拷⻉构造->优化为直接构造
A aa1 = 1;
aa1.Print();
//单参数构造，
const A& aa2 = 1;
//多参数转化(C++11之后才⽀持)
A aa3 = { 2,2 };
// 自定义类型转化为自定义类型
B b = aa3;
const B& rb = aa3;
return 0;
}
六、static成员
（一）概念及其特点
• 类内声明，类外进⾏初始化。
• 静态成员变量为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，不存在对象中，存放在静态区。
• ⽤static修饰的成员函数，称之为静态成员函数，静态成员函数没有this指针。因此不能访问⾮静态的成员，因为没有this指针。
• 突破类域就可以访问静态成员，可以通过类名::静态成员 或者 对象.静态成员来访问静态成员变量和静态成员函数。
• 静态成员变量不能在声明位置给缺省值初始化，因为缺省值是个构造函数初始化列表的，静态成员变量不属于某个对象，不⾛构造函数初始化列表。
class A {
public:
const A(int n = 1)
: c(n)
{}
static void print() {
cout << a << endl << b << endl;
}
private:
static int a;
static int b;
int c;
};
int A::a = 1;
int A::b = 2;
int main() {
A().print();
return 0;
}
（二）有趣的题目
设已经有A,B,C,D 4个类的定义，程序中A,B,C,D构造函数调⽤顺序为？（）
设已经有A,B,C,D 4个类的定义，程序中A,B,C,D析构函数调⽤顺序为？（）
A：D B A C
B：B A D C
C：C D B A
D：A B D C
E：C A B D
F：C D A B
C c;
int main()
{
A a;
B b;
static D d;
return 0；
}
首先，我们考虑全局区域，c的构造函数最先调用。进入局部区，依次构造a、b、c，因为局部静态成员变量在调用时，走到相应位置在构造。因此构造函数顺序为cabd
接着分析析构函数，函数栈帧销毁后先析构普通局部变量，先构造的后析构。后才析构局部静态变量，最后析构全局变量 c。因此析构顺序为badc
七、友元
• 外部友元函数可访问类的私有和保护成员，友元函数仅仅是⼀种声明，他不是类的成员函数。
• 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。
• 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。
八、内部类
内部类是⼀个独⽴的类，跟定义在全局相⽐，只是受外部类类域限制和访问限定符限制，内部类默认是外部类的友元类。内部类本质也是⼀种封装，当A类跟B类紧密关联，那么可以考
虑把A类设计为B的内部类。如果放到private/protected位置，那么A类就是B类的专属内部类，其
他地⽅都⽤不了。
class Solution {
// 内部类
class Sum
{
public:
Sum()
{
_ret += _i;
++_i;
}
};
static int _i;
static int _ret;
public:
int Sum_Solution(int n) {
Sum *arr = new Sum[5];
return _ret;
}
};
int Solution::_i = 1;
int Solution::_ret = 0;
int main() {
Solution().Sum_Solution(5);
return 0;
}
九、匿名对象
类型 + 实参定义出来的对象叫做匿名对象，匿名对象⽣命周期只在当前⼀⾏，⼀般临时定义⼀个对象当前⽤⼀下即可，就可以定义匿名对象。在内部类中我们就用到了匿名对象来调用函数。
十、对象拷贝时编译器的优化
现代编译器会为了尽可能提⾼程序的效率，在不影响正确性的情况下会尽可能减少⼀些传参和传返回值的过程中可以省略的拷⻉。
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a1(a)
{
cout << "A(int a)" << endl;
}
A(const A& aa)
:_a1(aa._a1)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
}
A & operator=(const A & aa)
{
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
if (this != &aa)
{
_a1 = aa._a1;
}
return *this;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a1 = 1;
};
void f1(A aa)
{}
A f2()
{
A aa;
return aa;
}
int main()
{
// 传值传参
A aa1;
f1(aa1);
cout << endl;
// 连续构造+拷⻉构造->优化为构造
f1(1);
// 连续构造+拷⻉构造->优化为构造
f1(A(2));
cout << endl;
cout << "***********************************************" << endl;
// 传值返回
// 返回时⼀个表达式中，连续拷⻉构造+拷⻉构造->优化⼀个拷⻉构造 （vs2019 debug）
// ⼀些编译器会优化得更厉害，进⾏跨⾏合并优化，直接变为构造。（vs2022 debug）
f2();
cout << endl;
// 返回时⼀个表达式中，连续拷⻉构造+拷⻉构造->优化⼀个拷⻉构造 （vs2019 debug）
// ⼀些编译器会优化得更厉害，进⾏跨⾏合并优化，直接变为构造。（vs2022 debug）
A aa2 = f2();
cout << endl;
// ⼀个表达式中，连续拷⻉构造+赋值重载->⽆法优化
aa1 = f2();
cout << endl;
return 0;
}
结束语
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