C++面向对象
1. C++语言基础
1.1 函数
C++新增：多态
-
函数重载（ overload ）
-
函数重写（覆写，overrride）
编译器会根据实参的类型来⾃动确定调⽤哪个重载函数
C++新增：内联函数
修饰关键字：inline
作用：编译时直接将函数替换为一堆代码，减少函数调用带来的开销。
比#define安全
成员函数默认内联，即使不写inline；外部函数必须加inline才能内联。
内存分配管理
每一个函数在栈空间上都有一段栈帧，保存这当前函数所需的变量等。当函数出栈时，这些成员也随之销毁。
1.2 const修饰符
const修饰的对象、变量，在运行过程中不能修改其值。
const int a = 1;
a = 2; // 错误！
// 会报错：error: assignment of read-only variable 'a'
注意：常量必须在声明时被初始化 const int a; // 错误！
关于const可修改的练习：
例1
int main() {
const int a = 1;
int* add = &a; // 这一句有语法问题：invalid conversion from 'const int*' to 'int*'
*add = 2;
return 0;
}
编译器在做隐式转换的时候不会添加或删除const修饰，如果类型不匹配会报语法错误。
正确做法：使用强制类型转换，消除语法问题
int main() {
const int a = 1;
int* add = (int*)&a; // 正确
*add = 2;
return 0;
}
编译器不会自作主张修改const修饰，因为可能有潜在风险，但是如果人为地强制转化，说明是程序员告诉编译器：“就这么干，我说的！“。编译器就会很放心地让程序员来承担责任，不会报错 /doge
注意：这里a为局部变量，即使被const修饰，也保存在栈上（假设没有常量折叠）。如果换做全局变量，被const修饰后存储在常量区中，为只读属性，没有办法修改的。
例2：指针变量也是变量，所以可用const修饰
常量指针
int main() {
char array[] = {'a', 'b', 'c', 'd', '\0'};
char* const name = array; // 注意这里的 * 和 const的前后位置
name[0] = 'H'; // 正确
name = (char*)"Hi"; // 错误！ assignment of read-only variable 'name'
return 0;
}
指向常量的指针
int main() {
char array[] = {'a', 'b', 'c', 'd', '\0'};
char const* name = array; // 注意这里的 * 和 const的前后位置
name[0] = 'H'; // 错误！
name = (char*)"Hi"; // 正确
return 0;
}
这里可以这样子去记忆：const负责在他左边的东西，如果左边是char*，说明地址是常量，如果左边是char，说明字符是常量。
1.3 动态内存分配
常规的静态分配内存：int a[10] = {0};
数组a在编译的时候就被分配了固定大小的内存。
int n = 10;
int b[x]; // 对于多数编译器是不允许的,即使允许也会有⻛险，如多线程编程
而使用动态定义变量更灵活
int n = 10;
int* b = new int[n]();
注意：最后记得delete
1.4 作用域运算符::
-
使用类的静态成员
-
解除被隐藏全局函数或变量
int num = 1; // 全局变量 main() { int num = 2; // 局部变量 cout << num << endl; // 显示局部变量 cout << ::num << endl; // 显示全局变量 }
2. 类和对象
注意点：
-
（C++11之前）在类体中不允许对数据成员进行初始化
class A { int a = 0; // 在一些老版本的编译环境上会出错 }; -
类中的成员不能是自身类的对象
否则会导致无限递归，最终栈溢出，因此会报编译错误。
但是可以放自身类的指针或引用。
-
若类A中含有成员类B，则类B需要提前声明
-
数据成员不能用auto、register、extern修饰；成员函数不能用extern修饰
2.1 拷贝构造函数
注意点：
-
形参必须是对象的引用，&不能省略，否则会向上文所述的无限递归。
-
要特别注意浅拷贝的问题
举个例子
class A { char* name; ~A() { delete[] name; } };当调用拷贝构造函数的时候，编译器会无脑复制一份数据到新对象，此时两个对象中name指向同一个地址，当两个类调用析构函数时，name会被delete两次，第二次会出错。
这种情况必须自己写拷贝构造函数。
-
对象作为参数传递时，用引用或者指针好一点，可以避免一次拷贝构造，减少开销
2.2 静态成员
作用：为了解决同类对象间的数据共享问题，实际就是共享变量
静态成员在整个内存中只有一份，位于静态区。
在编译器遇到初始化语句时，就为其分配空间。
两种初始化方法：
- 在类内初始化：必须加static修饰符
- 在类内声明，要加static；在类外初始化，不加static
静态成员函数只能访问静态成员，因为非静态成员有对象才存在；相反，非静态成员函数可任意访问静态、非静态成员。在⼀般的成员函数中都隐含有⼀个this指针，⽤来指向对象自身，而在静态成员函数中没有this指针，这是无法访问非静态成员的技术原因。但是若向静态函数中传入对象，则可以访问对象中的非静态成员。
2.3 友元
允许⼀个类授权另⼀个类的对象（友元类）、某个成员函数（友元成员）或外部函数（友元函数）访问其对象的非公有成员，而不允许整个程序访问。是类的封装性与执行效率的折中。
Java保留了静态成员，舍弃了友元机制。
2.4 对象嵌套
比如类A中有成员变量类B，则在实例化A的时候，先调用B的构造函数，再调用A的构造函数（先里后外）
另外，在A的构造函数中，推荐使用构造函数初始化列表，来初始化B。
3. 派生类
重定义（隐藏）redefining：派生类中重新定义基类成员，包括数据成员、成员函数，可参考
重写（覆盖）overload：是重定义，但使用虚函数，实现了多态
在java中两者无区别
派生类重新定义了print，则派生类中有两个print，但隐藏了继承来的print——用派生类对象a调用print，即a.print()，调用的是重新定义的，除非a.person::print();或者用基类指针指向a，用指针调用print。如果是重写，则根据虚表直接找到重写的print。
3.1 派生方式
这里比较绕，分三步说明
1）权限变化
- 公有派生中，权限不变。公有 -> 公有，私有 -> 私有，保护 -> 保护
- 私有派生中，all -> 私有
2）类内访问权限
-
基类的公有和保护成员都能够被派生类的成员访问
-
基类的私有成员不能被派生类成员直接访问，但可以通过基类的公有成员函数间接访问，比如基类的get、set
3）类外访问权限
指的是实例化派生类后，能否通过a.print()的方式访问类内成员
从类外看，派生类和基类是融为一体的，就当作一个普通的类操作，所以当然是私有不能访问，公有可以访问，而具体是私有还是公有见 1）中分析
综上所述，派生方式只改变类外访问权限
3.2 派生类构造、析构函数
派生类不继承构造函数，因为不符合构造方法的命名规则。但调用派生类构造函数时，编译器也要调用基类构造函数，这不是真正意义上的继承。析构函数也是类似。
但基类析构函数可以在子类中用基类名显式调用
注意：C++基类的析构函数一般定义为虚函数，防止内存泄漏
执行顺序
创建派生类对象：
(1)先执行基类的构造函数
(2)执行派生类的构造函数
销毁派生类对象时，相反
如何传参
- 如果基类的构造函数没有参数，或者没有显式地定义构造函数的时候，派生类构造函数不必考虑向基类构造函数传递参数，甚至可以不定义构造函数
- 当基类中带有参数的构造函数的时候，派生类必须定义构造函数，且使用初始化列表传递参数
3.3 重新定义
3.4 多重继承
派生类有多个基类，派生方式可以各不相同
构造顺序
A 基类
/ \
B C
\ /
D
构造顺序为 ABACD
但是多继承可能有模糊性（菱形继承的二义性） 。此外，从不同类继承同名成员，也会出现歧义性
3.5 虚拟继承
class 派生类名 : virtual 派生方式 基类名{
// .....
};
编译器保证从虚基类中继承的成员只有一个拷贝，避免模糊性
一些语法规定
A 基类
/ \
B C BC继承A时需要虚继承
\ /
D D不需要虚继承
也就是说，虚继承可以作用于一分为二的继承，避免基类成员也一分为二。而在合二为一的情况下，虚继承没有用
在D的构造函数中，需要用参数化列表调用ABC的构造函数，即在直接继承BC基础上，加一个虚基类（祖先）的构造函数。因此，BC在继承A的时候，必须是公有继承，不然D无法调用A的构造函数，因此虚继承必须是公有继承。
构造顺序
上图调用顺序为ABCD，虚基类（祖先）第一个调用，并且只会调用一次，从而保证其成员只会被初始化一次。当然，如果虚基类还有父类，那应该按正常流程先调用父类，再子类。然后，虚继承的类先构造，非虚继承的类后构造
即：
- 虚基类或非虚基类的祖先的构造函数
- 任何虚继承基类的构造函数按照它们被继承的顺序构造
- 任何非虚继承基类的构造函数按照它们被继承的顺序构造
- 对象成员的构造函数
- 派生类自己的构造函数
析构顺序相反
构造顺序 例1
A
|
B (C) D (E)
\ | | /
F
其中F虚继承于CE，用括号表示，并包含一个M类成员
class F : public B, virtual public C, public D, virtual public E {
// ...
M mem1;
}
则构造顺序为：CEABDMF
构造顺序 例2
class A {
public:
int a;
A() { a = 10; }
};
class A1 : virtual public A {
public:
A1() { a++; }
};
class A2 : virtual public A {
public:
A2() { a++; }
};
class B : public A1, public A2 {
public:
B() { a++; }
void print() { cout << a << endl; }
};
int main() {
B b;
b.print();
return 0;
}
结果输出：13
补充
大部分编译器都提供了查看C++代码中类内存分布的工具，比如vs。参考
- 虚基类的直接子类（Veichle_Road、Veichle_Water）存放指向虚基类表的指针，以及自己新定义成员。
- 后续子类（Amphicar）继承了两个父类的成员，包括虚基类表指针，并存放了虚基类成员（weight）的一个拷贝。
4. 多态性(polymorphism)
4.1 编译多态和运行多态
- 重载（Overload）：不同函数使用同一个函数名，即同样的接口实现不同的操作
- 重写（Override）：对虚函数的重新定义，即有继承关系的 不同类对象 对同一消息作出不同响应
- 重新定义（Redefining）：在派生类中定义一个新的
- 运算符重载
- 模板
联编
- 静态联编：在编译阶段进行联编，速度快、效率高，但不灵活
- 动态联编：在程序运行阶段进行联编，即直到程序运行时在确定调用哪个函数
在C++中：
函数重载（含运算符重载、重新定义、模版）是通过静态联编实现的
虚函数多态性（重写）是通过动态联编来实现的，使用虚函数表在运行时实现
举个例子
用来体会一下静态联编
class Point {
public:
Point(double i, double j) {
x = i;
y = j;
}
double Area() const { return 0.0; } //
private:
double x, y;
};
class Rectangle : public Point {
public:
Rectangle(double i, double j, double k, double l);
double Area() const { return w * h; } // 在派生类中重新定义
private:
double w, h;
};
Rectangle::Rectangle(double i, double j, double k, double l) : Point(i, j) {
w = k;
h = l;
}
void fun(Point& s) { // 外部函数
cout << s.Area() << endl;
}
void main() {
Rectangle rec(3.0, 5.2, 15.0, 25.0);
fun(rec);
rec.Area();
}
注意fun函数的形参为Point&，即基类引用，因此会窄化，fun始终调用基类的Area()。若参数改为：Rectangle &s，也同样只能调用Rectangle中的Area()
4.2 函数重载
不同函数使用同一个函数名，由编译器来选择具体由哪个函数来执行
4.3 运算符重载
一般用于操作类，比如两个自定义类的 “+” 运算
显然，重载的运算符函数必须要能访问类中元素，因此运算符重载 要么是成员函数，要么是外部友元函数。如果用成员函数，那形参只有一个，如果是友元函数，形参有两个。特别的，( )、[ ]、->、=，必须用成员函数实现运算符重载，<<（输出）必须用友元函数实现运算符重载。
有一些运算符是不能重载的，共5个：. .* :: ?:（三目运算符） sizeof
对于[]、<<，都是两目，但区别是第一个参数是本类对象或其它类对象，所以采用不同实现方法，原因：
-
如果用成员函数实现，类的this指针会被绑定到运算符的左侧对象，防止出现异常的写法。这是与this的背后实现有关：比如
a.f()，编译器先用this指向对象a，然后调用函数f，函数中访问数据成员时，编译器通过this到对象中找。对于a[i]的重载，[]是函数，所以仍遵循上述原理。 -
如果是友元，则没有this指针，双目运算符左右对象无限制，比如第一形参是整型（下标），第二形参是对象。可能导致：3[a] 。可参考
-
每个非静态成员函数都有一个隐式参数（编译器编译器编译时自动添加的），这个参数就是成员函数中this指针的来源，并且是第一个参数。
比如：void A::f() {}，实际上是：void A::f(A *const this) {}编译器在编译时会自动传递参数，使得成员函数可以访问对象的数据成员。因为数据成员分配在对象中，而成员函数本类对象共用，分配在别的地方。
<<运算符重载函数要求第一个参数必须是std:：ostream &，所以必须是非成员函数。但不一定非得是友元，除非访问私有成员
关于编译优化
在值返回的时候会有所区别
Integer operator+(const Integer& a) { // 情况1：返回局部对象
return Integer(val + a.val);
}
Integer operator+(const int x) { // 情况2：返回局部对象
Integer tmp;
tmp.val += x;
return tmp;
}
Integer operator+(const char x) { // 情况3：用*this返回
return *this;
}
Integer operator-(const Integer x) { // 情况4：返回形参对象
return x;
}
在上述12两种返回局部对象的情况时，按理来说，应该是在return时创建一个匿名对象，再调用拷贝构造函数将其赋值给调用运算符的左值。而编译器会对此优化，不需要拷贝构造。
因此，上述四种情况分别会
- 一次普通构造
- 一次普通构造
- 一次拷贝构造
- 两次拷贝构造 （形参到实参也要一次）
增量运算符的重载
Integer& operator++( ); //前缀增量运算符
Integer operator++(int); //后缀增量运算符
前缀与后缀在调用时其实形式一样，为了在调用时能够区分前、后缀，c++后来（开始时前后缀无区分）规定：后缀函数加一个没有实际意义的int参数，这样编译器在判断出前后缀时，就知道调用哪一个了。在调用后缀函数时，自动传给参数int的值是0，所以该参数的变量名都可以省略
前缀按语义可连接，后缀不允许。此外后缀要先返回后加加，故返回对象。非要返回引用当然也可以，但会造成连续加加，不符合语义。
类型转换运算符重载
通过构造函数进行（简单类型 -> 类对象）
通过类型转换运算符重载进行（类对象-> 简单类型）
如operator int();
Integer::operator int() {
cout << “Type changed to int” << endl;
return value; // 没返回类型，但要返回
}
注意：没有返回类型、参数
- 没有返回类型，因为强制转换为int说明int就是返回类型，再写一遍多此一举
- 没有参数，因为强制转换为单目运算符，加之用成员函数实现
赋值运算符重载
如果不重载，编译器会默认一个，其默认行为是复制对象的数据成员，就和默认拷贝构造函数一样，但这会导致浅拷贝
赋值运算符重载不能继承。实际是可继承，但因为派生类没定义赋值重载，则编译器默认一个，隐藏了继承来的
4.4 虚函数
动态联编实现的运行时多态
通常用基类指针（或引用）指向公有派生类对象。必须是公有派生，如果私有派生的话，从基类继承的成员都会私有，再拿基类指针指，首先会窄化，结果什么都访问不到。因此如果用基类指针指向私有、保护派生类对象，会直接在编译的时候报错
虚函数定义
在基类中被关键字virtua修饰，派生类中virtual可省略
这里的virtual和前文的虚继承一点关系都没有，同名纯属巧合
实现原理
一个类有虚函数，则会定义虚函数表，本类只有一个。本类对象中都有虚函数表指针。虚函数表是函数指针数组，指向每个虚函数。
派生类继承了虚函数，则也继承了虚函数表（复制了虚函数表）。如果重写虚函数，则修改虚表中函数指针，否则仍指向基类虚函数。
编译阶段创建对象及类的虚表。运行时用基类指针访问到派生类对象，找到其虚表指针，查表找到虚函数执行。所以编译时只绑定了指针（包括对象中的虚函数表指针、虚函数表中的函数指针），运行时根据指针才能绑定虚函数。
所以无论基类指针指向基类对象还是派生类对象，能做到不同对象对相同消息做出不同响应。
当基类指针指向派生类对象时，编译器以为是基类对象，但因为是虚函数，所以编译器建立虚函数表并在对象中存放虚函数指针，导致运行时调用重写的虚函数。
对于p->vfunc1()，因为p是基类指针，则编译器已经将所指派生类对象隐式转为基类对象，所以无法判定调用哪个函数
注意事项
- 不能把静态成员函数声明为虚函数，因为静态成员函数不属于某个对象，而虚函数是通过对象指针或引用来调用的
- 构造函数不能是虚函数，因为执行构造函数时，对象还没有实例化。但析构函数可以是虚函数，且有时是必须的
针对第二点析构的，打个比方A *p = new B;，new了一个派生类对象，但是用的基类指针，也就是说最后调用了基类的析构，会导致派生类中新定义的成员无法销毁。因此析构函数也必须重写。
每个类的析构函数负责销毁自己新定义的成员，派生类只需要销毁掉新定义的即可，至于继承来的成员，会调用基类的析构销毁。整个流程就是：基类指针调用析构（虚函数），派生类析构，由于继承关系，基类析构（这里和虚函数没关系，纯属是“继承”的特性）
析构的虚函数有其特殊性，比如在基类和派生类中函数名不同，但就运行时多态而言，与其他虚函数性质一样。
详细研究虚析构函数在虚函数表情况，参见：c++虚析构函数在虚函数表中吗?
纯虚函数和抽象类
纯虚函数是一个在基类中说明的虚函数，它在该基类中仅定义了函数首部，必须在派生类中重写
定义：virtual 返回类型 函数名(参数表)=0;
有纯虚函数的类称为抽象类，其无法被实例化，不能做函数参数、返回类型或转换类型，但抽象类指针、引用可以
5. 模板
分为函数模板和类模板，是实现代码重用机制的一种工具
5.1 函数模板与模板函数
使用函数模板时需要实例化，可以显式、隐式实例化
template <typename T>
void swap(T &a, T &b){...}
//隐式
int main(){
int x=1,y=2;
swap<int>(x,y);
//或swap(x,y);
....
}
//显式
template
void swap(int &a,int &b);
int main(){
int x=1,y=2;
swap(x,y);
....
}
函数模板中没有隐式的类型转换（形参到实参），但是重载后的模板函数（也就成了普通函数）是可以隐式转换的
template <class T>
T max(T x, T y) {
return (x > y) ? x : y;
}
void func(int i, char c) {
max(i, i); // 正确 调用max(int,int)
max(c, c); // 正确 调用max(char,char)
max(i, c); // 错误 类型不匹配
max(c, i); // 错误 类型不匹配
}
解决方法：
-
采用强制类型转换，如将上述
max(i,c)；改写为max(i,int(c)); -
用非模板函数去重载函数模板
char max(int x, char y) { return (x > y) ? x : y; }这样就会调用这个普通的重载函数
模板函数、函数重载的匹配次序
优先级为：
- 参数完全匹配的（重载或实例化）函数
- （隐式）实例化后能匹配的模板函数
- 类型转换后能匹配上的重载函数
例如
template <class T>
T myMax(T x, T y) { // 模板
// ...
}
int myMax(int x, int y) { // 重载1
// ...
}
char myMax(int x, char y) { // 重载2
// ...
}
int main() {
int i = 10;
char c = ‘a’;
float f = 43.74;
cout << myMax(i, i) << endl; // 重载1
cout << myMax(c, c) << endl; // 模板
cout << myMax(i, c) << endl; // 重载2
cout << myMax(c, i) << endl; // 重载2 （隐式转换）
cout << myMax(f, f) << endl; // 模板
cout << myMax(f, i) << endl; // 隐式转换是必须的，但是既可以转成重载1，又可以转成重载2
// 此时选择哪一个由编译器决定，不同编译器可能有不同选择
return 0;
}
5.2 类模板和模板类
dddd
6. 代码巩固
运算符重载
有一个String类，只有一个成员变量
class String {
char* array;
}
1）重载[]
这里为了理解面向对象的一些点，采用了很奇怪的写法，仅仅保证语法无误
关注点：返回值应该是引用
char& operator[](int i) {
if (i < 0 || i >= strlen(array)) {
cout << "Index out of range." << endl;
static char dummy = '\0';
return dummy;
}
return array[i];
}
2）重载+
如果要做String + String的运算
这是一种返回临时对象的写法
String operator+(const String& s) { // 形参中的const和引用都可省略，语法上没问题
String temp(array);
temp.array = new char[strlen(array) + strlen(s.array) + 1];
strcpy(temp.array, array);
strcat(temp.array, s.array);
return temp;
}
如果要做String + char*的运算
-
一种方法是重载
+运算符，接收一个char*类型的参数 -
一种方法是使用类型转换
-
比如把
char*转为String，用构造函数就可以实现，运算时编译器会自动隐式转换，从而转为String + String。需要注意的是，这种方法会把
char*转为一个临时对象String，这个临时对象作为+函数参数传入时，函数形参必须声明为const。也就是说，运算符重载函数接收一个临时对象时，必须是const。 -
若把
String转为char*，则需要重载char*()
但是这两种方法不能同时使用，即不能同时有
char*->String和String->char*，否则会有二义性：既可以转为char* + char*，又可以转为String + String -
提供隐式类型转换
整个思路是：A重载了+运算符，但是只能和A相加，因此这里给B提供了一个转化为A的类型转换重载，编译器在计算a+b时，会自动把b隐式转换为a
class A {
int a;
public:
A() { a = 0; }
A(int i) { a = i; }
int operator+(const A& aa) { return a + aa.a; }
};
class B {
int b;
public:
B() { b = 0; }
operator A() { return A(b); }
};
int main() {
A a;
B b;
cout << a + b << endl;
return 0;
}
输出运算符重载
如正文所讲，<<只能采用友元函数重载，并且返回值得是引用，第一个参数得是引用，第二个参数中如果要接收一个临时对象，必须用const修饰
friend ostream& operator<<(ostream& out, const String& s) {
out << s.array;
return out;
}
编译器的移动构造优化
class A {
int x;
public:
A(int i = 0) { // 构造
x = i;
cout << "construct";
}
A(const A& a) { // 拷贝构造
cout << "copy";
}
A operator+(const A& a) { // 重载+
cout << "add";
return A(x + a.x);
}
void operator=(const A& a) { // 重载=
cout << "equals";
}
};
int main() {
A a, b;
A c = a;
A d = a + b;
return 0;
}
这段代码最终输出为：con con copy add con
分析：
A a, b;两次默认构造A c = a;标准的拷贝构造A d = a + b;显然先有一次+重载，之后编译器会优化，效果等价于A d(a + b);也就是一次普通构造
怎么区分 = 是拷贝构造还是赋值运算呢？只有在初始化对象的时候，才会使用拷贝构造，如果对象已经被创建了，之后的=都是赋值
小综合
题目：
有四种几何图形：三角形、矩形、正方形和圆。
求四种几何图形的面积之和。
定义一个包含两个虚函数的类
class Shape {
public:
virtual float Area(void) = 0; // 求面积
virtual void SetData(float, float = 0) = 0; // 设置几何形状参数
// 不同集合形状需要1个或2个参数，故采用默认参数值
};
公有派生各类，重写两个函数，这里只展示一个类，其余同理。
class Triangle : public Shape {
float W, H; // 三角形边长为W，高为H
public:
Triangle(float w = 0, float h = 0) {
W = w;
H = h;
}
float Area(void) { // 重写虚函数
return W * H / 2;
}
void Setdata(float w, float h = 0) { // 重写虚函数
W = w;
H = h;
}
};
这里使用了一个指针数组，来实现多态；如果采用对象数组，则无法实现多态
class Compute {
Shape** s; // 指向基类的指针数组
public:
Compute() { // 给几何图形设置参数
s = new Shape*[4];
s[0] = new Triangle(3, 4);
s[1] = new Rectangle(6, 8);
s[2] = new Square(6.5);
s[3] = new Circle(5.5);
}
float SumArea(void);
~Compute();
void Setdata(int n, float a, float b = 0) { s[n]->Setdata(a, b); }
};
float Compute::SumArea(void) {
float sum = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++)
sum += s[i]->Area(); // 通过基类指针实现多态性
return sum;
}
Compute::~Compute() {
for (int i = 0; i < 4; i++)
delete s[i];
delete[] s;
}
