C++核心知识
主要针对C++面向对象编程技术做详细讲解，探讨C++中的核心和精髓。
1.内存分区模型
C++程序在执行时，将内存大方向划分为4个区域
- 代码区：存放函数体的二进制代码，由操作系统进行管理
- 全局区：存放全局变量和静态变量以及常量
- 栈区：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量等
- 堆区：由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收
内存四区意义：
不同区域存放的数据，赋予不同的生命周期，给我们更大的灵活编程
1.1 程序运行前
在程序编译后，生成了exe可执行程序，未执行该程序前分为两个区域
代码区：
- 存放CPU执行的机器指令
- 代码区是共享的，共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可
- 代码区是只读的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令
全局区：
- 全局变量和静态变量存放在此
- 全局区还包含了常量区，字符串常量和其他常量（const修饰的全局变量）也存放在此
- 该区域的数据在程序结束后由操作系统释放
1.2 程序运行后
栈区：
- 由编译自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量等
注意事项：不要返回局部变量的地址，因为栈区开辟的数据由编译器自动释放
堆区
- 由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收
在C++中主要利用new在堆区开辟内存
1.3 new操作符
C++中利用new操作符在堆区开辟数据
堆区开辟的数据，由程序员手动开辟，手动释放，释放利用操作符delete
语法：new 数据类型
利用new创建的数据，会返回该数据对应的类型的指针
引用
2.1引用的基本使用
作用：给变量起别名
语法：数据类型 &别名= 原名
2.2 引用注意事项
- 引用必须初始化
- 引用在初始化后，不可以改变
2.3 引用做函数参数
作用：函数传参时，可以利用引用的技术让形参修饰实参
优点：可以简化指针修改实参
总结：通过引用参数产生的效果同按地址传递是一样的。引用的语法更清楚简单
2.4 引用做函数的返回值
作用：引用可以作为函数的返回值存在的
注意：不要返回局部变量音乐
用法：函数调用作为左值
2.5引用的本质
本质：引用的本质在C++内部实现一个指针常量
2.6 常量引用
作用：常量引用主要用来修饰形参，防止误操作
在函数形参列表中，可以加const修饰形参，防止形参改变实参
3 函数提高
3.1 函数默认参数
在C++中，函数的形参列表中的形参是可以有默认值的。
语法：返回值类型 函数名(参数 = 默认值){}
注意事项：
- 如果某个位置已经有了默认参数，那么从这个位置往后，从左到右都必须有默认值
- 如果函数的声明有默认参数，函数实现就不能有默认参数。声明和实现只能有一个有默认参数
3.2 函数占位参数
C++中函数的形参列表里可以占位参数，用来做占位，调用函数时必须填补该位置
语法：返回值类型 函数名(数据类型){}
3.3 函数重载
3.3.1 函数重载概述
作用：函数名可以相同，提高复用性
函数重载满足条件：
- 同一个作用域下
- 函数名称相同
- 函数参数类型不同 或者 个数不同 或者 顺序不同
注意：函数的返回值不可以作为函数重载的条件
3.3.2 函数重载注意事项
- 引用作为重载条件
- 函数重载碰到函数默认参数
4 类和对象
C++面向对象的三大特性为：封装、继承、多态
C++ 认为万事万物都皆为对象，对象上有其属性和行为
4.1 封装
4.1.1 封装的意义
封装是C++面向对象三大特性之一
封装的意义：
- 将属性和行为作为一个整体，表现生活中的事物
- 将属性和行为加以权限控制
封装意义一：
在设计类的时候，属性和行为写在一起，表现事物
语法：class 类名{ 访问权限: 属性 / 行为};
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
const double PI = 3.14;
class Circle
{
public:
// 半径
int m_r;
//获取圆的周长
double calculate()
{
return 2 * m_r * PI;
}
};
int main()
{
// 通过圆类 创建具体的圆
Circle circle;
circle.m_r = 10;
cout << " 圆的周长： " << circle.calculate() << endl;
}
封装意义二：
类在设计时，可以把属性和行为放在不同的权限下，加以控制
访问权限有三种：
- public 公共权限 成员 类内可以访问 类外可以访问
- protected 保护权限 成员 类内可以访问 类外不可以访问 儿子可以访问父亲中的保护内容
- private 私有权限 成员 类内可以访问 类外不可以访问 儿子不可以访问父亲的私有内容
4.1.2 struct和class区别
在C++中struct和class唯一的区别就在于默认的访问权限不同
区别：
- struct默认权限为公共
- class默认权限为私有
4.1.3 成员属性设置为私有
优点：
- 将所有成员属性设置为私有，可以自己控制读写权限
- 对于写权限，我们可以检测数据的有效性
4.2 对象的初始化和清理
- 生活中我们买的电子产品都基本会有出厂设置，在某一天我们不用时候也会删除一些自己信息数据保证安全
- C++中的面向对象来源与生活，每个对象也都会有初始设置以及对象销毁前的清理数据的设置
4.2.1 构造函数和析构函数
对象的初始化和清理也是两个非常重要的安全问题
一个对象或者变量没有初始状态，对其使用后果是未知
同样的使用完一个对象或变量，没有及时清理，也会造成一定的安全问题
C++利用了构造函数和析构函数解决上述问题，这两个函数将会被编译器自动调用，完成对象初始化和清理工作。
对象的初始化和清理工作是编译器强制要我们做的事情，因此如果我们不提供构造和析构，编译器会提供编译器提供的构造函数和析构函数是空实现。
- 构造函数：主要作用在于创建对象的成员属性赋值，构造函数由编译器自动调用，无须手动调用
- 析构函数：主要作用在于对象销毁前系统自动调用，执行一些清理工作
构造函数语法：类名(){}
- 构造函数，没有返回值也不写void
- 函数名称与类名相同
- 构造函数可以有参数，因此可以发生重载
- 程序在调用对象时候会自动调用构造，无须手动调用，而且只会调用一次
析构函数语法：~类名(){}
- 析构函数，没有返回值也不写void
- 函数名称与类名相同，在名称前加上符号~
- 析构函数不可以有参数，因此不可以发生重载
- 程序在对象销毁前会自动调用析构，无须手动调用，而且只会调用一次
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
Person()
{
cout << "Person 构造函数的调用" << endl;
}
~Person()
{
cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;
}
};
int main()
{
Person person;
}
4.2.2 构造函数的分类及调用
两种分类方式：
- 按参数分为：有参构造和无参构造
- 按类型分为：普通构造和拷贝构造
三种调用方式：
- 括号法
- 显示法
- 隐式转换法
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
Person()
{
cout << "Person 无参构造函数的调用" << endl;
}
Person(int a)
{
age = a;
cout << "Person 有参构造函数的调用" << endl;
}
//拷贝构造函数
Person(const Person &person)
{
age = person.age;
cout << "Person 拷贝构造函数的调用" << endl;
}
~Person()
{
cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;
}
private:
int age;
};
int main()
{
//括号法
Person p; //默认构造函数的调用
Person p2(10); // 有参构造函数的调用
Person p3(p2); // 拷贝构造函数的调用
// 调用默认构造函数不要是加()
// 因为下面的代码，编译器会认为是一个函数的声明，不会认为在创建对象
//Person p();
//显示法
Person p21;
Person p22 = Person(10);
Person p23 = Person(p22);
Person(10); // 匿名对象 特点：当前行执行结束后，系统会立即回收掉匿名对象
// 不要利用拷贝构造函数 初始化匿名对象 编译器会认为Person (p23) === Person p23; 对象的声明
//Person(p23);
//隐式转换法
Person p4 = 10; // 相当于 写了 Person p4 = Person(10);
Person p5 = p4; // 拷贝构造
}
拷贝构造函数调用时机
C++中拷贝构造函数调用时机通常有三种情况：
- 使用一个已经创建完毕的对象来初始化一个新对象
- 值传递的方式给函数参数传值
- 以值方式返回局部对象
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
Person()
{
cout << "Person 无参构造函数的调用" << endl;
}
Person(int a)
{
age = a;
cout << "Person 有参构造函数的调用" << endl;
}
Person(const Person &person)
{
age = person.age;
cout << "Person 拷贝构造函数的调用" << endl;
}
~Person()
{
cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;
}
private:
int age;
};
void doWork(Person p)
{
}
Person doWork1()
{
Person p1;
return p1;
}
int main()
{
// 使用一个已经创建完毕的对象来初始化一个新对象
Person p1(20);
Person p2(p1);
// 值传递的方式给函数参数传值
doWork(p1);
// 以值方式返回局部对象
Person p3 = doWork1();
}
4.2.4 构造函数的调用规则
默认情况下，C++编译器至少给一个类添加3个函数
- 默认构造函数（无参，函数体为空）
- 默认析构函数（无参，函数体为空）
- 默认拷贝构造函数，对属性进行值拷贝
构造函数调用规则如下：
- 如果用户定义有参构造函数，C++不在提供默认无参构造，但是会提供默认拷贝构造
- 如果用户定义拷贝构造函数，C++不会再提供其他构造函数
深拷贝与浅拷贝
深拷贝是面试经典问题，也是常见的一个坑
浅拷贝：简单的复制拷贝操作
深拷贝：在堆区重新申请空间，进行拷贝操作
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
Person()
{
cout << "Person 无参构造函数的调用" << endl;
}
Person(int a, int h)
{
age = a;
height = new int(h);
cout << "Person 有参构造函数的调用" << endl;
}
Person(const Person &person)
{
age = person.age;
cout << "Person 拷贝构造函数的调用" << endl;
}
// 自己实现拷贝构造函数 解决浅拷贝带来的问题
Person(const Person &p)
{
cout << "Person 拷贝构造函数调用" << endl;
age = p.age;
//height = p.height; // 浅拷贝，编译器提供的拷贝构造函数
height = new int(*p.height); // 深拷贝
}
~Person()
{
// 析构函数，将堆区开辟数据做释放操作
if (height != NULL)
{
delete height;
height = NULL;
}
cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;
}
private:
int age;
int *height;
};
void test01()
{
Person p1(18, 160);
Person p2(p1);
}
int main()
{
test01();
}
4.2.6 初始化列表
作用：C++提供了初始化列表语法，用来初始化属性
语法：构造函数(): 属性1(值1) 属性2(值2)...{}
4.2.7 类对象作为类成员
C++类中的成员是另一个类的对象，我们称该成员为 对象成员
例如：
class A{}
class B
{
A a;
}
B类中有对象A作为成员，A为对象成员
那么当创建B对象时，A与B的构造和析构的顺序是谁先谁后？
构造顺序：先构造其他类对象，再构造自身。
析构顺序：与构造顺序相反
4.2.8 静态成员
静态成员就是在成员变量和成员函数前加上关键字static，成为静态成员
静态成员分为：
- 静态成员变量
- 所有对象共享一份数据
- 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
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
static int a;
static void func()
{
cout << "静态成员函数" << endl;
}
private:
static int b;
};
int Person::a = 100;
int Person::b = 200;
int main()
{
Person p;
cout << p.a << endl;
//通过对象
//p.func();
//p.a = 200;
//cout << p.a << endl;
// 通过类名
Person::func();
}
4.3 C++对象模型和this指针
4.3.1 成员变量和成员函数分开存储
在C++中，类内的成员变量和成员函数分开存储
只有非静态成员变量才属于类的对象上
4.3.2 this指针
每一个非静态成员函数只会诞生一份函数实例，也就是说多个同类型的对象会共用一块代码
那么问题是：这一块代码是如何区分那个对象调用自己的呢？
C++ 通过提供特殊的对象指针，this指针，解决上述问题。this指针指向被调用的成员函数所属的对象
this指针是隐含每一个非静态成员函数内的一种指针
this指针不需要定义，直接使用即可
this指针的用途：
- 当形参和成员变量同名时，可用this指针来区分
- 在类的非静态成员函数中返回对象本身，可是用return *this
4.3.3 空指针访问成员函数
C++中空指针也是可以调用成员函数的，但是也要注意有没有用到this指针
如果用到this指针，需要加以判断保证代码的健壮性
4.3.4 const修饰成员函数
常函数：
- 成员函数后加const后我们称为这个函数为常函数
- 常函数内不可以修改成员属性
- 成员属性声明时加关键字mutable后，在常函数中依然可以修改
常对象
- 声明对象前加const称该对象为常对喜爱那个
- 常对象只能调用常函数
4.4. 友元
友元的目的就是让一个函数或者类 访问另一个类中私有成员
友元的关键字为friend
友元的三种实现
- 全局函数做友元
- 类做友元
- 成员函数做友元
4.5 运算符冲在
运算符重载概念：对已有的运算符重新进行定义，赋予其另一种功能，以适应不同的数据类型
4.5.1 加号运算符重载
作用：实现两个自定义数据类型相加的运算
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
int a;
int b;
};
// 全局函数重载
Person operator+(Person &p1, Person &p2)
{
Person tmp;
tmp.a = p1.a + p2.a;
tmp.b = p1.b + p2.b;
return tmp;
}
int main()
{
Person p1;
p1.a = 1;
p1.b = 2;
Person p2;
p2.a = 1;
p2.b = 2;
cout << "p1 + p2 a = " << (p1 + p2).a << endl;
cout << "p1 + p2 b = " << (p1 + p2).b << endl;
}
左移运算符重载
void operator<<(ostream &cout, Person p)
递增运算符重载
作用：通过重载递增运算符，实现自己i的整型数据
4.5.4 赋值运算符重载
C++编译器至少给一个类添加4个函数
- 默认构造函数（无参，函数体为空）
- 默认析构函数（无参，函数体为空）
- 默认拷贝构造函数、对属性进行值拷贝
- 赋值运算符 opertator=，对赋值进行值拷贝
如果类中有属性指向堆区，做赋值操作时也会出现深浅拷贝问题
4.5.5 关系运算符重载
作用：重载关系运算符，可以让两个自定义类型对象进行对比操作
4.5.6 函数调用运算符重载
- 函数调用运算符()也可以重载
- 由于重载后使用的方式非常像函数的调用，因此称为伪函数
- 伪函数没有固定写法，非常灵活
4.6 继承
继承是面向对象三大特性之一
定义某些类时，下级别的成员除了拥有上一级的共性，还有自己的特性。利用继承的技术，减少重复代码。
4.6.1 继承的基本语法
语法：class 子类 : 继承方式 父类{}
4.6.2 继承方式
- 公共继承
- 保护继承
- 私有继承
父类私有方式，子类不管什么继承方式，都是继承不了
子类通过公共继承方式继承父类，那么父类的公共方式、保护方式都可以继承
子类通过保护继承方式继承父类，那么父类的保护方式可以继承
子类通过私有继承方式继承父类，那么父类所有的都继承不了
4.6.3 继承中的对象模型
问题：从父类继承过来的成员，那些属于子类对象？
结论：父类中私有成员也是被子类继承下去了，只是由于编译器给隐藏后访问不到
4.6.4 继承中的构造和析构顺序
子类继承父类后，当创建子类对象，也会调用父类的构造函数
问题：父类和子类的构造和析构顺序是谁先谁后？
结论：父类的构造比子类的构造先，子类的析构比父类的析构先
4.6.5 继承同名成员处理方式
问题：当子类与父类出现同名的成员，如何通过子类对象，访问到子类或父类中同名的数据呢？
- 访问子类同名成员，直接访问即可
- 访问父类同名成员，需要加作用域
4.6.6 继承同名静态成员处理方式
问题：继承中同名的静态成员在子类对象上如何进行访问？
静态成员和非静态成员出现同名，处理方式一致
- 访问子类同名成员 直接访问即可
- 访问父类同名成员 需要加作用域
4.6.7 多集成语法
C++允许一个类继承多个类
语法：class 子类 : 继承方式 父类1, 继承方式 父类2...
多继承可能会引发父类中有同名成员出现，需要加作用域区分
C++实际开发中不建议用多继承
菱形继承
菱形继承概念：
两个派生类继承同一个基类
又有某个类同时继承这两个派生类
这种继承被称为菱形继承，或者钻石继承
4.7 多态
4.7.1 多态的基本概念
多态是C++面向对象三大特性之一
多态分为两类
- 静态多态：函数重载 和 运算重载属于静态多态，复用函数名
- 动态多态：派生类和虚函数实现运行时多态
静态多态和动态多态区别：
- 静态多态的函数地址早绑定 - 编译阶段确定函数地址
- 动态多态的函数地址晚绑定 - 运行阶段确定函数地址
动态多态使用：父类的指针或引用 执行子类对象
示例：
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal
{
public:
// 虚函数
virtual void speak()
{
cout << "动物在说话" << endl;
}
};
class Cat : public Animal
{
public:
// 重写，函数返回值，参数列表，函数名完全一样
void speak()
{
cout << "小猫在说话" << endl;
}
};
class Dog : public Animal
{
public:
void speak()
{
cout << "小狗在说话" << endl;
}
};
// 地址早绑定，在编译阶段就确定了函数的地址
void doSpeak(Animal &animal)
{
animal.speak();
}
int main()
{
Cat cat;
doSpeak(cat);
Dog dog;
doSpeak(dog);
}
4.7.2 纯虚函数和抽象类
在多态中，通常父类中虚函数的实现是毫无意义的，主要都是调用子类重写的内容
因此可以将虚函数改为纯虚函数
纯虚函数语法：virtual 返回值类型 函数名(参数列表) = 0;
当类中有了纯虚函数，这个类也称为抽象类
抽象类特点：
- 无法实例化对象
- 子类必须重写抽象类中的纯虚函数，否则也属于抽象类
#include <iostream>
using namespace std;
// 抽象类
class Base
{
public:
// 纯虚函数
virtual void func() = 0;
};
class Son : public Base
{
public:
void func()
{}
};
void test01()
{
Son Son;
}
int main()
{
}
4.7.3 虚析构和纯虚析构
多态使用时，如果子类中有属性开辟到堆区，那么父类指针在释放时无法调用到子类的析构代码
解决方式：将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构
虚析构和纯虚析构共性：
- 可以解决父类指针释放子类对象
- 都需要有具体的函数实现
虚析构和纯虚析构区别：
- 如果是纯虚析构，该类属于抽象类，无法实例化对象
虚析构语法：
virtual ~类名(){}
纯虚析构语法：
virtual ~类名() = 0
类名::~类名(){}
总结：
- 虚析构或纯虚析构就是用来解决通过父类指针释放子类对象
- 如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构或纯虚析构
- 拥有纯虚析构函数的类也不属于抽象类
5 文件操作
程序运行时产生的数据都属于临时数据，程序一旦运行结束都会被释放
通过文件可以将数据持久化
C++中对文件操作需要包含头文件<fstream>
文件类型分为两种：
- 文本文件 - 文件以文本的ASCII码形式存储在计算机中
- 二进制文件 - 文件以文本的二进制形式存储在计算机中，用户一般不能直接读懂它们
操作文件的三大类：
- ofstream：写操作
- ifstream：读操作
- fstream：读写操作
5.1 文本文件
5.1.1 写文件
写文件步骤如下：
-
包含头文件
#include<fstream>
-
创建流对象
ofstream ofs;
-
打开文件
ofs.open("文件路径", 打开方式);
-
写数据
ofs << "写入数据";
-
关闭文件
ofs.close();
文件打开方式：
| 模式标记 | 适用对象 | 作用 |
|---|---|---|
| ios::in | ifstream fstream | 打开文件用于读取数据。如果文件不存在，则打开出错。 |
| ios::out | ofstream fstream | 打开文件用于写入数据。如果文件不存在，则新建该文件；如果文件原来就存在，则打开时清除原来的内容。 |
| ios::app | ofstream fstream | 打开文件，用于在其尾部添加数据。如果文件不存在，则新建该文件。 |
| ios::ate | ifstream | 打开一个已有的文件，并将文件读指针指向文件末尾（读写指 的概念后面解释）。如果文件不存在，则打开出错。 |
| ios:: trunc | ofstream | 打开文件时会清空内部存储的所有数据，单独使用时与 ios::out 相同。 |
| ios::binary | ifstream ofstream fstream | 以二进制方式打开文件。若不指定此模式，则以文本模式打开。 |
| ios::in | ios::out | fstream | 打开已存在的文件，既可读取其内容，也可向其写入数据。文件刚打开时，原有内容保持不变。如果文件不存在，则打开出错。 |
| ios::in | ios::out | ofstream | 打开已存在的文件，可以向其写入数据。文件刚打开时，原有内容保持不变。如果文件不存在，则打开出错。 |
| ios::in | ios::out | ios::trunc | fstream | 打开文件，既可读取其内容，也可向其写入数据。如果文件本来就存在，则打开时清除原来的内容；如果文件不存在，则新建该文件。 |
注意：文件打开方式可以配合使用，利用|操作符
示例：
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
void test01()
{
ofstream ofs;
ofs.open("test.txt", ios::out);
ofs << "Hello world!";
ofs.close();
}
int main()
{
test01();
}
