【c++】类和对象（七）

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朋友们大家好，本篇文章来到类和对象的最后一部分

目录

  • 1.static成员
    • 1.1特性
  • 2.友元
    • 2.1引入：<<和>>的重载
    • 2.2友元函数
    • 2.3友元类
  • 3.内部类
  • 4.匿名对象
  • 5.拷贝对象时的一些编译器优化

1.static成员

声明为static的类成员称为类的静态成员，用static修饰的成员变量，称之为静态成员变量；用static修饰的成员函数，称之为静态成员函数。静态成员变量一定要在类外进行初始化

例题：统计A类型创造了多少个对象

class A
{
public:A(){}A(const A& a){}
private:
};
A Func()
{A aa;return aa;
}
int main()
{A aa1;A aa2;Func();return 0;
}

我们的方法之一就是统计构造函数调用了多少次，我们就需要全局变量

int n = 0;
class A
{
public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}
private:
};
A Func()
{A aa;return aa;
}
int main()
{A aa1;A aa2;Func();cout << n << endl;return 0;
}

但是这个n是不好控制的，能不能把n封装到类里面，避免别人随意修改呢？

class A
{
public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}
private:int n =0;
};

但是由于对象的不同，n就不是同一个n，那么如果我想要使同一个n++呢？

这里就需要设置静态变量

private:static int n;

这个n就不属于某一个对象，而是属于所有对象，属于整个类，所以它的初始化不能放在初始化列表执行，那么它的初始化应该在哪里呢？所以需要在类外面定义：

class A
{
public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}
private:static int n;
};
int A::n = 0;

这个n则受到类的限制，无法随意访问，如果想访问n，有几种办法：

  • 方法一，将n改为公有，但是破坏了封装性，不建议
  • 方法二，get函数
class A
{
public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}static int Getn(){return n;}
private:static int n;
};

讲解一下这里的静态成员函数static int Getn()

静态成员函数在类中有特殊的作用和行为。在上面的代码示例中，Getn 函数是一个静态成员函数，它的主要特点和用法包括：

  1. 类范围内的函数：静态成员函数属于整个类，**而不是类的某个特定对象。**因此，它不能访问类的非静态成员变量或成员函数，因为这些成员需要一个特定的对象实例来确定它们的上下文

  2. 无需对象实例：可以在没有类的对象实例的情况下调用静态成员函数。这是因为静态成员函数不依赖于任何特定对象的状态。在上面的例子中，A::Getn() 可以在没有创建 A 类对象的情况下调用，它提供了一种访问类静态成员（如 n）的方式

  3. 调用方式：静态成员函数可以通过类名直接调用（如 A::getCreationCount()），也可以通过类的对象调用

静态成员函数通常用于提供一些与类的任何特定实例无关的功能，或者访问静态成员变量，而不依赖于类的对象。在设计类时，如果某个函数的行为不需要依赖于对象的状态，那么就应该将其声明为静态的

1.1特性

  1. 静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，存放在静态区
  2. 静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字，类中只是声明
  3. 类静态成员即可用 类名::静态成员 或者 对象.静态成员 来访问
  4. 静态成员函数没有隐藏的this指针，不能访问任何非静态成员
  5. 静态成员也是类的成员，受public、protected、private 访问限定符的限制

2.友元

友元（Friend）在C++中是一个重要的概念，它允许某些特定的外部函数或类访问另一个类的私有（private）或受保护（protected）成员

2.1引入：<<和>>的重载

我们在前面讲到各种运算符重载，以及赋值运算符重载，那么能不能直接重载<<和>>,实现输入和输出呢？

class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}
private:int _year;int _month;int _day;
};

如果我们想用这两个运算符，就得自己实现重载

cout
cout是ostream类的一个对象，运算符重载可以这样写：

void operator<<(ostream& out)
{out << _year << "-" << _month << "-" << _day;
}

我们现在调用这个重载发现报错：
在这里插入图片描述
因为这里左操作数是d1，所以调用是这种方式：

class Date
{
public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}void operator<<(ostream& out){out << _year << "-" << _month << "-" << _day;}
private:int _year;int _month;int _day;
};

意味着我们必须这样调用：

d1<<cout;

不符合常规调用

作为成员函数重载，this指针占据了第一个参数，意味着Date必须是左操作数

所以，这个这个函数只能写为全局函数，而不能是成员函数

但是这里访问不了私有成员，我们先将其置为公有

class Date
{
public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}//private:int _year;int _month;int _day;
};
void operator<<(ostream& out,Date &d)
{out << d._year << "-" << d._month << "-" <<d._day;
}
int main()
{Date d1(2005, 6, 23);cout << d1;return 0;
}

这下可以进行访问
在这里插入图片描述
但是，这里并不能进行连续的输出，比如以下形式：

Date d1(2005, 6, 23);
Date d2(2024, 4, 2);
cout << d1<<d2;

在这里插入图片描述
我们可以这么理解，cout是从左向右进行的，与连续赋值相反的顺序，cout<<d1,返回cout，返回值作为左操作数，再进行流插入，所以我们得增加ostream的返回值：

ostream& operator<<(ostream& out,const Date &d)
{out << d._year << "-" << d._month << "-" <<d._day;return out;
}

同理可以完成流提取：

istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{_cin >> d._year;_cin >> d._month;_cin >> d._day;return _cin;
}

2.2友元函数

现在尝试去重载operator<<，然后发现没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以要将operator<<重载成全局函数。但又会导致类外没办法访问成员，此时就需要友元来解决。operator>>同理

友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在类的内部声明，声明时需要加friend关键字

class Date
{friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}
private:int _year;int _month;int _day;
};

特点：

  • 友元函数可访问类的私有和保护成员，但不是类的成员函数
  • 友元函数不能用const修饰
  • 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
  • 一个函数可以是多个类的友元函数
  • 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同

2.3友元类

友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的非公有成员

class Time
{friend class Date;
public:Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0): _hour(hour), _minute(minute), _second(second){}private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second){// 直接访问时间类私有的成员变量_t._hour = hour;_t._minute = minute;_t._second = second;}private:int _year;int _month;int _day;Time _t;
};

  • 友元关系是单向的，不具有交换性：比如上述Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友元类，那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量，但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行

  • 友元关系不能传递：如果C是B的友元， B是A的友元，则不能说明C时A的友元

  • 友元关系不能继承

3.内部类

如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去访问内部类的成员。外部类对内部类没有任何优越的访问权限

内部类就是外部类的友元类，参见友元类的定义，内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元

class A
{
private:static int k;int h;
public:class B // B天生就是A的友元{public:void fun(const A& a){cout << k << endl;//OKcout << a.h << endl;//OK}};
};
int A::k = 1;
int main()
{A::B b;b.fun(A());return 0;
}

B可以访问A的所有成员

特性：

  1. 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
  2. 注意内部类可以直接访问外部类中的static成员，不需要外部类的对象/类名。
  3. sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系
A::B b;

B这个类受到A类的类域的限制

4.匿名对象

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};

有名对象：

A aa1;
A aa2(100);

匿名对象：

A();
A(11);

在这个代码示例中：

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{A();return 0;
}

A(); 这一行创建了一个 A 类的匿名对象。匿名对象是指在创建时没有被赋予一个变量名的对象。它们通常用于临时的操作，比如传递对象作为函数参数，或者从函数返回对象时不需要保留对象的名称

在这个特定的例子中，A(); 创建了一个 A类型的实例，但没有变量名与之关联。这意味着这个对象只在它被创建的那条语句中存在。一旦这条语句执行完毕，这个匿名对象的生命周期就结束了，它会被立即销毁。因此，紧接着构造函数的调用后，析构函数也会被立即调用

输出将会是：

A(int a)
~A()

class Solution {
public:int Sum_Solution(int n) {//...return n;}
};
int main()
{Solution().Sum_Solution(10);return 0;
}

匿名对象在这样场景下就很好用，当我需要一个临时对象去调用其成员函数，但又不想为这个临时使用的对象创建一个具体的变量名，这样使用就很方便

5.拷贝对象时的一些编译器优化

在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}A(const A& aa):_a(aa._a){cout << "A(const A& aa)" << endl;}A& operator=(const A& aa){cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;if (this != &aa){_a = aa._a;}return *this;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};
void f1(A aa)
{}
A f2()
{A aa;return aa;
}

我们在主函数设置几个变量来测试一下优化行为：

A aa1=2;

这里原本应该是构造加拷贝构造，在优化下合为构造：
在这里插入图片描述

int main()
{const A& aa2 = 2;return 0;
}

这里就只有构造，没有拷贝构造，没有进行优化，原因如下：

当你在C++中使用const A& aa2 = 2;这行代码时，其实发生了一系列复杂的操作，它们体现了C++对于效率和对象生命周期管理的考量。下面是详细解释：

  1. 临时对象的构造
    首先，2是一个整数字面量，它本身并不是A类型的对象。当这行代码执行时，C++需要一个A类型的对象来与aa2绑定。因此，编译器查找A类，找到了一个可以接受单个整数作为参数的构造函数A(int a = 0)。使用这个构造函数，编译器创建一个匿名的A类型的临时对象。这个过程中，构造函数被调用，打印出A(int a)。

  2. 绑定到常量引用
    在很多编程语言中，通常不能直接将一个临时对象（或字面量）赋值给一个引用。然而，C++允许一个临时对象绑定到一个常量引用上。这里的const A& aa2 = 2;正是这样的情况。这行代码实际上告诉编译器：“创建一个临时的A对象，并将aa2作为这个临时对象的一个常量引用。” 因此，没有拷贝构造函数被调用，因为我们没有创建一个新的A对象，只是创建了一个临时对象的引用

  3. 没有拷贝构造的调用
    在这个过程中，临时对象是直接在需要的位置构造的，然后aa2被绑定到这个对象上。由于aa2是一个引用，它实际上并不拥有对象；它只是一个到临时对象的链接。因此，不需要调用拷贝构造函数来创建一个新的A对象，这个机制避免了不必要的拷贝，提高了效率

  4. 常量引用延长临时对象的生命周期
    在C++中，将临时对象绑定到常量引用上的一个重要后果是，这个临时对象的生命周期会被延长，以匹配引用的生命周期。这意味着，尽管我们用一个整数字面量初始化了aa2，这个匿名的A对象将会持续存在直到aa2离开作用域。如果没有这个特性，临时对象将在表达式结束时立即被销毁，这将导致引用悬挂，引用一个已经不存在的对象

void f1(A aa)
{}
int main()
{f1(A(2));return 0;
}

这里传了一个匿名对象，先调用构造函数，再调用拷贝构造函数
在这里插入图片描述
编译器优化，优化为构造函数

A f2()
{A aa;return aa;
}
int main()
{f2();return 0;
}

f2应该有一个构造和一个拷贝构造
在这里插入图片描述
优化为构造函数

A f2()
{A aa;return aa;
}
int main()
{A aa2 = f2();return 0;
}

如果不优化，f2（）会有一个构造和一个拷贝构造，最后，这个临时副本将会被用来初始化main函数中的A aa2，再次调用拷贝构造函数，则这里是连续的拷贝构造函数
在这里插入图片描述
编译器优化为构造函数

A f2()
{A aa;return aa;
}
int main()
{A aa1;aa1 = f2();return 0;
}

在这里插入图片描述
一个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载，结果没有发生很大的优化

本节内容到此结束！感谢大家阅读！！！！

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