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C++学习笔记----8、掌握类与对象（一）---- 对象中的动态内存分配（1）

article 2024/11/19 8:33:32

1、FRIENDS

c++允许类声明为其它类，其它类的成员函数，或者非成员函数为friend。可以访问protected与private数据成员与成员函数。例如，假设你有两个类Foo与Bar。你可以指定Bar类是Foo类的一个friend：

class Foo
{
    friend class Bar;
    // ...
};

这样Bar类的所有成员函数可以访问Foo类的private与protected数据成员与成员函数。

如果你只是想让Bar类的一个特定成员函数做friend，也可以这样做。假设Bar类有一个成员函数processFoo(const Foo&)。下面的语法用于让这个成员函数成为Foo的一个friend：

class Foo
{
    friend void Bar::processFoo(const Foo&);
    // ...
};

独立的函数也可以成为类的friend。举例来说，你可能想要写一个函数来打印Foo对象的所有数据到控制台。可能想要让该函数在Foo类之外，因为打印不是Foo的核心功能，但是该函数需要访问对象的内部数据成员以便进行打印。下面是Foo类的定义，以printFoo()作为friend：

class Foo
{
    friend void printFoo(const Foo&);
    // ...
};

在类中的friend声明作为函数的原型。没有必要在其它地方再写原型了（写了也没什么坏处）。

下面是函数的定义：

void printFoo(const Foo& foo)
{
    // Print all data of foo to the console, including
    // private and protected data members.
}

在类定义之外写这样的函数与其它任何函数一样，除了可以直接访问Foo的private与protected成员。在函数定义时不必重复friend关键字。

注意类需要知道其它哪些类，成员函数，或者函数想要成为它的friend；一个类，成员函数，或者函数不能声明自己为一些其它类的friend来获得那个类的非public成员的访问。

friend类与函数容易被滥用；它们允许你破坏通过暴露类内部给其他类或函数来进行包装的原则。这样的话，只能在有限的情况下使用它们。我们会在博文中进行使用场景的展示。

2、对象中的动态内存分配

有时候你不知道在程序真正运行之前需要多大内存。解决方案是在程序执行时动态分配需要的内存。类也不例外。有时候你不知道在写类时一个对象需要多大内存。在这种情况下，对象应该动态分配内存。给对象动态分配内存带来了一些挑战，包括释放内存，处理对象拷贝，以及处理对象赋值。

2.1、Spreadsheet类

我们前面介绍过SpreadsheetCell类。现在我们继续写Spreadsheet类。与SpreadsheetCell类一样，Spreadsheet类也在我们的文章中不断演化。这样的话，多种尝试并不总是去演示类书写的每个方面的最好的方式。

我们先开始，Spreadsheet只是一个简单的SpreadsheetCell的二维数组，在Spreadsheet中带有成员函数来设置与访问其特定位置的cell。虽然大部分spreadsheet应用在一个方向上使用字母，在另一个方向上使用数字来指向cell，我们的Spreadsheet在两个方向上都使用数字。

Spreadsheet.cppm模块接口文件的第一行定义了模块的名字：

export module spreadsheet;

Spreadsheet类需要访问SpreadsheetCell类，所以它需要import spreadsheet_cell模块。另外，为了使SpreadsheetCell类对spreadsheet模块中的用户可见，spreadsheet_cell模块需要用下面的看起来很可笑的语法来进行导入导出：

export import spreadsheet_cell;

Spreadsheet类使用std::size_t类型，它定义在C头文件中<cstddef>。可以用下面的导入来获得访问权限：

import std;

最终，下面是Spreadsheet类的定义的第一次尝试：

export class Spreadsheet
{
public:
	Spreadsheet(std::size_t width, std::size_t height);
	void setCellAt(std::size_t x, std::size_t y, const SpreadsheetCell& cell);
	SpreadsheetCell& getCellAt(std::size_t x, std::size_t y);

private:
	bool inRange(std::size_t value, std::size_t upper) const;

	std::size_t m_width{ 0 };
	std::size_t m_height{ 0 };
	SpreadsheetCell** m_cells{ nullptr };
};

注意：Spreadsheet类使用指向m_cells数组的正常指针。这样做的目的是为了展示结果以及解释怎么处理资源，比如类中的动态内存。在生产环境的代码中，应该使用标准c++容器，像std::vector，会大幅简化Spreadsheet的实现，但那样的话，你就无法学习如何使用原始指针正确处理动态内存。在现代c++中，永远不要使用带有属主语法的原始指针，但是对于既有代码你可能会碰到，这种情况下需要知道如何处理。

注意Spreadsheet类并不包含标准的SpreadsheetCell二维数组。实际上，它包含了一个SpreadsheetCell**的数据成员，是一个指向代表了一个数组的数组的指针。这是因为每一个Spreadsheet对象可能有不同的维度，所以类的构造函数需要动态分配二维数组，基于客户指定的高度与宽度。

为了动态分配一个二维数组，需要写下面的代码。记住在c++中，不像Java，不能只是简单地写new SpreadsheetCell[m_width][m_height]。

Spreadsheet::Spreadsheet(size_t width, size_t height)
	: m_width { width }
	, m_height { height }
{
	m_cells = new SpreadsheetCell*[m_width];
	for (size_t i{ 0 }; i < m_width; ++i) {
		m_cells[i] = new SpreadsheetCell[m_height];
	}
}

下图展示了叫做s1的Spreadsheet的结果内存结构，在栈上，宽度为4，高度为3。

inRange()的实现，设置与访问成员函数就很直接了：

bool Spreadsheet::inRange(size_t value, size_t upper) const
{
	return value < upper;
}

void Spreadsheet::setCellAt(size_t x, size_t y, const SpreadsheetCell& cell)
{
	if (!inRange(x, m_width)) {
		throw out_of_range { format("x ({}) must be less than width ({}).", x, m_width) };
	}
	if (!inRange(y, m_height)) {
		throw out_of_range { format("y ({}) must be less than height ({}).", y, m_height) };
	}
	m_cells[x][y] = cell;
}

SpreadsheetCell& Spreadsheet::getCellAt(size_t x, size_t y)
{
	if (!inRange(x, m_width)) {
		throw out_of_range { format("x ({}) must be less than width ({}).", x, m_width) };
	}
	if (!inRange(y, m_height)) {
		throw out_of_range { format("y ({}) must be less than height ({}).", y, m_height) };
	}
	return m_cells[x][y];
}

setCellAt()与getCellAt()两者都使用了类的辅助函数inRange()来检查x与y，它们代表了spreadsheet中的有效坐标。尝试访问越界索引的数组元素会导致程序运行不正确。本例使用了例外，以后会详细介绍。

如果你仔细看setCellAt()与getCellAt()的实现，可以看到有很清晰的代码重复。我们以前说过要尽量避免代码重复。所以，让我们遵从指导，不使用inRange()的辅助函数，定义一个verifyCoordinate()的成员函数：

void verifyCoordinate(std::size_t x, std::size_t y) const;

其实现检查给定的坐标，如果坐标无效的话抛出例外：

void Spreadsheet::verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const
{
	if (x >= m_width) {
		throw out_of_range { format("x ({}) must be less than width ({}).", x, m_width) };
	}
	if (y >= m_height) {
		throw out_of_range { format("y ({}) must be less than height ({}).", y, m_height) };
	}
}

这样的话，setCellAt()与getCellAt()就可以简化如下：

void Spreadsheet::setCellAt(size_t x, size_t y, const SpreadsheetCell& cell)
{
	verifyCoordinate(x, y);
	m_cells[x][y] = cell;
}

SpreadsheetCell& Spreadsheet::getCellAt(size_t x, size_t y)
{
	verifyCoordinate(x, y);
	return m_cells[x][y];
}

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