C++之路：類基礎、構造析構、拷貝構造函數

目錄

  • 前言
  • 從結構體到類
  • 類的聲明與使用
    • 基礎聲明
    • 繼承聲明
    • 數據與函數聲明與調用
    • 聲明
      • 調用
  • 類的訪問修飾符
  • 類對象的內存分布
  • 類內數據相關
    • 靜態變量
    • 非靜態變量
  • 類成員函數相關
    • 普通成員函數
    • 友元函數
    • 構造與析構函數
      • 構造函數
      • 析構函數
    • 拷貝構造函數
      • 總結

前言

?面向對象編程有三大特性，分別是封裝、繼承、多態。這些特性在類的語法使用中都得到了充分的體現，我也預計寫幾篇文章來介紹一下C++的類語法。這是第一篇：類基礎。
?類基礎主要目的是介紹一下類的基礎使用，重點在于數據和函數的封裝。

從結構體到類

?對于新手來說 類 這個概念可能比較陌生，但是提到結構體(struct)對于有C語言基礎的人應該比較熟悉。在C++中結構體和類的底層實現幾乎完全一致，結構體不僅可以封裝函數，甚至還可以繼承類。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;    class Base_Class{
protected:int id; //占用大小為4字節的內存空間
public:Base_Class(int i=0){id = i;cout << "Base_Class constructor called." << endl;cout << "id = " << id << endl;}
};struct Derived_struct : public Base_Class
{Derived_struct(int i) : Base_Class(i) {cout << "Derived_Struct constructor called." << endl;cout << "id = " << id << endl;}
};int main() {Derived_struct obj(10);return 0;
}

輸出結果為：

Base_Class constructor called.
id = 10
Derived_Struct constructor called.
id = 10

?是不是對類的感覺親切了許多？當然在C語言中結構體里是不能封裝函數的，也沒有繼承這個說法。數據和函數不封裝到一起，那么當我處理數據的時候（比如結構體）就要去其它地方找函數（公共聲明函數的地方），而不是通過對象直接可以調用處理的函數。
?打個比方，就像用勺子吃西瓜：C語言買了西瓜后要到廚房去找勺子才能吃西瓜，而C++封裝的特性就是讓買西瓜時，西瓜和勺子綁定在一起出售。因而C語言是面向過程編程的，C++是面向對象編程。
?當然了，結構體和類底層實現相同，這不意味著在C++中結構體和類能混用。從規范上來說，結構體用于數據聚合，基本上不封裝方法，就像C那樣（例如坐標點封裝，顏色封裝）而類則用于?對象進行封裝?，包括數據以及相關的方法。

類的聲明與使用

基礎聲明

類的基礎語法聲明如下：
來源菜鳥教程
舉例說明：

class Box
{public:double length;   // 盒子的長度double width;  // 盒子的寬度double height;   // 盒子的高度int get_volume(){ //獲得盒子的體積return length*width*height;}
};

?類里面就兩樣東西：數據+方法

繼承聲明

繼承的語法如下：

class {derived_class} : {access_specifier} {base_class}

?其中，derived_class是派生類的名稱，base_class是基類名稱，二者之間通過: + 訪問修飾符連接。訪問修飾符 access-specifier 是 public、protected 或 private 其中的一個，如果未使用訪問修飾符 access-specifier，則默認為 private繼承。

// 基類
class Animal {
xxxx
};
//派生類
class Dog : public Animal {
xxxx
};

數據與函數聲明與調用

聲明

?類內變量與成員函數的聲明語法類外一致，值得注意的是成員函數的具體實現可以放在類外。具體方法如下：

  1. 首先在類內聲明這個函數：
class Dog {
public:void bark(); //類內聲明
};
  1. 然后在類外以范圍解析運算符(::) + 函數名的形式進行定義：
//類外實現
void Dog::bark(){cout << "汪汪汪" <<endl;
}

調用

?類的變量和函數的調用方法與結構體類似：

class Dog{
public: int age=10;//數據void bark() //方法{cout << "汪汪汪" <<endl；}
};
  1. 如果是類對象實例，使用.運算符訪問成員變量和函數方法：
Dog wangcai;
wangcai.age; //訪問變量
wangcai.bark(); //訪問函數
  1. 如果是類指針，使用->運算符訪問成員變量和函數方法：
Dog* wangcai;
wangcai->age; //訪問變量
wangcai->bark(); //訪問方法

類的訪問修飾符

?訪問修飾符用來控制外界對類內變量以及成員函數（類成員）的訪問權限。關鍵字 public、private、protected 稱為訪問修飾符。

  1. public(公有)
    ?該成員變量/方法可以被外部的函數直接訪問。這是權限最低的一種，類內、派生類以及類外都能訪問往往用于對外接口上。
  2. protected(保護)
    ?保護的類成員只能被類內以及派生類訪問，類外無法訪問。
  3. private(私有)
    ?如果沒有聲明訪問權限，私有是默認的訪問修飾符。是保護程度最高的一種，只能類內函數訪問，派生類和類外都是不能訪問的。往往只用于給內部成員函數數據交換

上面的內容總結來說就是：類內成員函數訪問類內的變量/方法時沒有任何限制，派生類能訪問public和protected，類外的普通函數就只能訪問public下的變量/方法（友元函數除外）

#include <iostream>
using namespace std;class Example {
public:    // 公有成員int publicVar;void publicMethod() {cout << "Public method" << endl;}private:   // 私有成員int privateVar;void privateMethod() {cout << "Private method" << endl;}protected: // 保護成員int protectedVar;void protectedMethod() {cout << "Protected method" << endl;}
};

類對象的內存分布

?首先要明確一下，類本身是一個抽象的概念，是不占用物理內存的。例如：

class Dog{
public: int age=10;//數據void bark() //方法{cout << "汪汪汪" <<endl；}
};

?如果不實例化這個類（Dog wangcai）是不會有內存占用的。提這個點是為了解答后面學習多態時，有的教材會說虛函數表存儲在類里面，這樣容易引起誤解，類就像int 、float那樣，如果不實例化是不會創造出內存空間的。

類對象實例的內存分布如下：

  1. 最開頭： 虛函數表指針。
  2. 非靜態成員變量。（按照聲明順序依次排布）

此外，

  • 對于靜態成員變量：存儲在全局數據區，不占用類實例內存空間。
  • 對于成員函數：代碼存儲在代碼段，所有對象共享同一份函數代碼。
  • 對于虛函數：虛函數實現也和成員函數一樣存儲在代碼段。
  • 對于虛函數表：虛函數表在可執行文件中位于.rodata段（Linux/Unix）或.rdata段（Windows），程序加載后存于內存的?常量區?，具有只讀屬性。

類內數據相關

靜態變量

?靜態變量是類內以static為修飾符定義的變量。要點如下：

  1. 對于類中的靜態變量來說，所有對象共享同一個靜態變量，修改會影響所有實例。(即存儲位置在全局數據區)
  2. 靜態變量的生命周期?在程序啟動時初始化，程序結束時銷毀。
  3. 靜態變量在類內聲明在類外定義
  4. 推薦使用類名訪問（推薦）：ClassName::staticVar

示例代碼：

class Person {
public:static int count;  // 靜態變量聲明
};
int Person::count = 0;  // 必須在類外定義Person p1;
Person::count++;  // 推薦：通過類名訪問
p1.count++;       // 不推薦：通過對象訪問（合法但不清晰）

非靜態變量

?又被稱為實例變量，是指類內定義的普通成員變量。有以下特性：

  1. 每個對象獨立存儲?，不同對象的實例變量互不影響。（即存儲在實例的內存區域）
  2. 生命周期?：隨對象創建而分配，隨對象銷毀而釋放。
  3. 必須通過對象實例進行訪問。

舉例：

class Person {
public:std::string name;  // 實例變量int age;           // 實例變量
};
Person p1;
p1.name = "Alice";  // 訪問實例變量

類成員函數相關

普通成員函數

?要點：

  1. 普通成員函數暗含this指針，可以無需聲明使用成員變量。
  2. 成員函數的調用要通過對象實例進行，不能單獨拎出來使用。

友元函數

?友元函數本質就是類外聲明定義的函數，不與類對象綁定，即在類內用friend聲明的外部函數，能突破封裝性直接訪問類的私有和保護成員，使其數據訪問權限等同于成員函數（也就是說可以訪問類的私有變量與函數）。
要點：

  1. 必須在類內使用friend修飾符進行聲明。
  2. 具體的實現放在類外。

示例：

class MyClass {
private:int secret;
public:friend void peek(MyClass& obj); // 聲明友元函數
};
void peek(MyClass& obj) { obj.secret = 42; } // 實現可訪問私有成員

構造與析構函數

#include <iostream>
using namespace std;class MyClass {
public:int value;// 構造函數MyClass(int v) {value = v;cout << "構造函數被調用，value=" << value << endl;}// 析構函數~MyClass() {cout << "析構函數被調用，value=" << value << endl;}
};int main() {MyClass obj1(10);  // 構造函數調用{MyClass obj2(20);  // 構造函數調用}  // obj2離開作用域，析構函數調用return 0;
}  // obj1離開作用域，析構函數調用

構造函數

?構造函數是一種特殊的成員函數，有以下要點：

  1. 無任何返回值（連void也沒有），可以傳入參數。
  2. 函數名與類名相同。
  3. 在類對象創建時執行一次，主要用來初始化類對象
  4. 不被繼承，即子類的構造函數中必須要先手動調用父類的構造函數（無參構造時編譯器會自動調用）。

?構造函數還有一個初始化列表的語法，可以用來初始化字段。例如上面的構造函數可以改為：

MyClass(int v):value(v){cout << "構造函數被調用，value=" << value << endl;
}

如果MyClass繼承自BaseClass，初始化列表的語法也可以用來初始化構造函數，可以寫成這樣下面這樣，以符合第四點的要求：

MyClass(int v):BaseClass(Base_args),value(v){cout << "構造函數被調用，value=" << value << endl;
};

(初始化列表時，用逗號,隔開各個參數)

析構函數

?析構函數與構造函數相呼應，就是類對象在銷毀時自動調用的函數。（例如，程序結束時、局部對象離開作用域時）。要點如下：

  1. 無任何返回值（void也沒有）以及不傳入任何參數！。
  2. 函數名為~+類名。
  3. 對象銷毀時自動執行，用來釋放類對象手動創建的內存空間，避免內存泄漏
  4. 同樣不被繼承，但是自動調用（因為是無參的，編譯器會自動調用）。順序為先調用派生類的析構，再調用基類的析構

拷貝構造函數

?為什么需要額外的拷貝構造函數？其實想想就能清楚，一個類對象的創建只能有兩種途徑：

  1. 自定義。使用默認的構造函數進行初始化。
  2. 從其它對象中復制。這時就要調用拷貝構造函數而不是構造函數進行初始化了。

why？拷貝構造函數必須要寫嗎？為什么之前寫的類沒有拷貝構造函數也能編譯通過？
回答這個問題首先要了解一下淺拷貝和深拷貝。
?其實C++中數據無非被分為兩種：普通變量和指針變量，對于淺拷貝來說，執行的就是簡單的賦值操作，不區分指針和值，這樣也就會造成一種情況：對象A里有個指針p，p指向某個地址。如果此時簡單的使用Class B = A這樣初始化對象B就是淺拷貝。那么對象B內的指針p的值和A當中指針p的值是一樣的（淺拷貝只是簡單賦值），這樣就會造成對象A和B的指針p指向同一塊內存空間，如果B中的p改動了指向的變量（*p），那么A中p指向的值也會隨之改變，在某些情況下這是很危險的。（即淺拷貝會造成多個指針指向同一個內存地址的情況）。
?對于深拷貝來說，就會區分普通變量和指針變量。對于普通變量，如int,float等就直接把值復制過去就行了。對于指針變量則會為指針成員分配新內存并復制內容，但是這一過程必須要手動實現，這就依賴我們的拷貝構造函數了!
?下面從使用場合、語法規則兩方面總結拷貝構造函數：

  1. 使用場合：需要以一個已經實例化的類對象為基礎，創建一個新的類對象（所謂構造），并且類的成員變量中有指針類型時，需要自定義拷貝構造函數為指針成員分配新內存，并將值賦值到新內存空間中（所謂深拷貝）。
    ?若未顯式定義拷貝構造函數，編譯器會生成默認拷貝構造函數執行?淺拷貝?（逐成員復制值）。拷貝構造二者缺一不可，如果僅僅是普通的賦值，例如B = A，那么默認觸發淺拷貝，此時如果需要深拷貝應該要在類內重載運算符=。

  2. 語法規則：
    定義：

Class_name(const Class_name& obj)

?簡單來說就是構造函數的基礎上，固定傳入的參數必須為同類對象的?常量引用?（ClassName(const ClassName& obj)），若使用值傳遞(ClassName(const ClassName obj))會導致無限遞歸調用。

使用：

MyClass obj2 = obj1; // 隱式調用，此時=表示初始化而非賦值
MyClass obj3(obj1); // 顯式調用

示例：

class DeepString {
public:char* data;DeepString(const DeepString& other) {data = new char[strlen(other.data) + 1]; //重新分配地址strcpy(data, other.data);  // 復制內容而非指針}
};

總結

?拷貝和構造缺一不可：

  1. 少了拷貝就會導致多個指針指向同一個地址。
  2. 少了構造就是普通的賦值操作，是在已存在對象間進行賦值（a = b）不屬于根據一個已有對對象初始化一個新對象。

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