Modern C++（七）類

7、類

7.1、類聲明

前置聲明：聲明一個將稍后在此作用域定義的類類型。直到定義出現前，此類名具有不完整類型。當代碼僅僅需要用到類的指針或引用時，就可以采用前置聲明，無需包含完整的類定義。

前置聲明有以下幾個作用：

降低編譯時的依賴性，加快編譯速度
避免出現循環引用

// 前置聲明
class MyClass;void func(MyClass* obj); // 可以使用指針
void func2(const MyClass& obj); // 可以使用引用
MyClass* createObj(); // 返回指針或引用是可行的

使用前置聲明也會有一些限制，除了不能訪問類成員、不能創建類對象、不能使用類的大小信息外，還不能繼承自該類。

7.2、局部類

局部類（Local Class）是指定義在函數內部的類，其作用域僅限于該函數。它們無法被函數外部訪問。局部類可以訪問函數的靜態變量、外部全局變量和枚舉。局部類的非靜態成員函數不能訪問外部函數的非靜態局部變量。

int globalVar = 100;void func() {static int staticVar = 200;int localVar = 300; // 局部變量（非靜態）class Local {public:void print() {std::cout << globalVar << std::endl; // 合法：訪問全局變量std::cout << staticVar << std::endl; // 合法：訪問靜態變量// std::cout << localVar << std::endl; // 錯誤：無法訪問非靜態局部變量}};Local().print();
}

局部類一般用于封裝臨時性算法，實現函數內部的策略模式。

7.3、聯合體聲明

聯合體（Union）是C++中一種特殊的類類型，它允許在相同的內存位置存儲不同類型的數據。與結構體（struct）和類（class）相比，聯合體的主要特點是所有成員共享同一塊內存，因此在同一時刻只能存儲一個成員的值。

聯合體有以下特性：

默認成員訪問是public。
修改一個成員會覆蓋其他成員的值。
聯合體的對齊方式通常由其最大成員的對齊要求決定
聯合體的大小至少要能容納其最大的數據成員，并且可能因對齊需求而增加額外空間。

union Example {char c;       // 1字節int i;        // 4字節（假設int為4字節）double d;     // 8字節（假設double為8字節）
}; // 8字節

匿名聯合體是沒有名稱的聯合體，其成員直接成為包含它的作用域的成員：

struct Employee {enum class Type { MANAGER, ENGINEER };Type type;union {char* department;  // 當type為MANAGER時使用int engineerId;    // 當type為ENGINEER時使用}; // 匿名聯合體// 訪問方式：直接通過Employee對象訪問department或engineerId
};// 使用示例
Employee e;
e.type = Employee::Type::MANAGER;
e.department = "HR";

7.4、this指針

this指針在特殊場景中的行為：

在析構函數中使用this：析構函數執行時，對象的成員變量仍在內存中，但已進入銷毀流程，析構函數執行完畢后，對象占用的內存會被回收。析構函數中不要訪問已釋放的成員變量，僅執行必要的資源釋放操作，避免復雜邏輯，應避免調用其他成員函數。

class Resource {
public:~Resource() {// 合法：析構函數執行時對象尚未完全銷毀std::cout << "Destroying resource at " << this << std::endl;// 但不能調用非析構的成員函數，可能訪問已釋放內存}
};

delete this的危險用法

class Dangerous {
public:void selfDestruct() {std::cout << "Before delete: " << this << std::endl;delete this; // 調用后當前對象被銷毀// this->data = 42;  // 災難！訪問已釋放的內存// std::cout << data; // 同樣危險// 應該立即返回}
private:int data;
};Dangerous* obj = new Dangerous;
obj->selfDestruct();
// 從這里開始，obj已經成為懸空指針
// 任何對obj的使用都是未定義行為

這種模式有時用于引用計數對象的自我銷毀

多態場景下的this指針，在虛函數中，this指針始終指向實際對象（而非靜態類型）

class Base {
public:virtual void printAddress() {std::cout << "Base: " << this << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void printAddress() override {Base::printAddress(); // 輸出基類視角的this（與派生類相同）std::cout << "Derived: " << this << std::endl;}
};// 輸出：Base和Derived的this指針地址相同，指向同一對象

7.5、static成員

在類定義中，關鍵詞static聲明不綁定到類實例的成員

static成員變量是具有靜態存儲期的獨立變量

class X { static int n; }; // 聲明（用 'static'）
int X::n = 1;              // 定義（不用 'static'）

static成員函數不依賴于對象實例（沒有this指針），只能訪問static成員變量，可以直接用類名調用。

7.6、嵌套類

嵌套類（Nested Class）是指在一個類（稱為外圍類/外部類）內部定義的另一個類。嵌套類的作用域受外圍類限制，但可以訪問外圍類的成員（包括私有成員），嵌套類被視為外部類的 “朋友”。。

嵌套類可以訪問外部類的所有成員（包括私有、受保護和公共成員）以及成員函數，不過訪問非靜態成員時，必須借助外部類的實例來實現。對于外部類的靜態成員，嵌套類可以直接訪問，無需外部類的實例。

外部類無法直接訪問嵌套類的私有和受保護成員，如需訪問要將將外部類聲明為友元類。

外部類和嵌套類之間成員的相互使用無需理會聲明順序：

class enclose
{
public:void printNest() {nested1 ne;ne.num = 10;}private:class nested1 {public:void print() {enclose en;en.num = 10;}private:friend class enclose;int num;};int num;
};

嵌套類可以前置聲明并在之后定義，在外圍類的體內或體外均可：

class enclose
{class nested1;    // 前置聲明class nested2;    // 前置聲明class nested1 {}; // 嵌套類的定義
};class enclose::nested2 { }; // 嵌套類的定義

嵌套類不影響外圍類的大小。

7.7、派生類

在基類子句中列出的類是直接基類，直接基類的基類被稱為間接基類。同一個類不能多次被指定為直接基類，但是可以既是直接基類又是間接基類。

基類子對象的構造函數被派生類的構造函數所調用：可以在成員初始化器列表中向這些構造函數提供實參。

繼承時，如果省略訪問說明符，那么它對以類關鍵詞struct聲明的類默認為public，對以類關鍵詞class聲明的類為private。

虛基類：虛繼承是為了解決菱形繼承問題而引入的。當使用虛繼承時，無論通過多少條路徑繼承同一個虛基類，最終派生對象中只會包含該虛基類的一個實例。

struct B { int n; };
class X : public virtual B {};
class Y : virtual public B {};
class Z : public B {};// 每個 AA 類型對象擁有一個 X，一個 Y，一個 Z 和兩個 B：
// 一個是 Z 的基類，另一個由 X 與 Y 所共享
struct AA : X, Y, Z
{void f(){X::n = 1; // 修改虛 B 子對象的成員Y::n = 2; // 修改同一虛 B 子對象的成員Z::n = 3; // 修改非虛 B 子對象的成員std::cout << X::n << Y::n << Z::n << '\n'; // 打印 223}
};

上述例子雖然能運行，但是n的定義是不明確的！！

私有繼承時，子類不對外表現出is-a的關系，但是可以在子類內部使用is-a，在類外部可以通過指針強轉進行虛函數調用。

7.8、using 聲明

在命名空間和塊作用域中：using聲明將另一命名空間的成員引入到當前命名空間或塊作用域中。

在類定義中：using聲明可以將別處定義的名字引入到此using聲明所在的聲明區中，例如將基類的受保護成員暴露為派生類的公開成員。這有幾個優點：

7.8.1、實現接口擴展與兼容性

當你設計一個類的繼承體系時，可能基類出于封裝和安全性的考慮，將某些成員設置為受保護的。但在派生類的使用場景中，這些成員可能需要被外部更方便地訪問，以滿足特定的接口需求。通過 using 聲明將基類的受保護成員提升為派生類的公開成員，可以在不破壞基類原有封裝的前提下，為派生類提供更廣泛的接口。

// 基類
class Base {
protected:void protectedFunction() {std::cout << "Base::protectedFunction() called" << std::endl;}
};// 派生類
class Derived : public Base {
public:using Base::protectedFunction;  // 將基類的受保護成員暴露為公開成員
};int main() {Derived d;d.protectedFunction();  // 可以直接調用，無需通過其他接口return 0;
}

引入有作用域枚舉項：除了另一命名空間的成員和基類的成員，using聲明也能將枚舉的枚舉項引入命名空間、塊和類作用域。

7.8.2、繼承構造函數

當在派生類中寫下using Base::Base; 時，編譯器會：

隱式生成派生類的構造函數：這些構造函數與基類的構造函數具有相同的參數列表。
將基類構造函數納入重載決議：當創建派生類對象時，編譯器會考慮基類的構造函數。

class Base {
public:Base(int a) { cout << "Base int " << endl; }Base(int a, double b) { cout << "Base int double " << endl; }Base(int a, double b, char c) { cout << "Base int double char " << endl; }
};class Derived : public Base {
public:Derived(int a, double b) : Base(a, b){cout << "Derived int double " << endl;}
private:using Base::Base;  // 讓Base的構造函數在Derived中可見
};int main() {Derived a(1);Derived b(1, 1.1);Derived c(1, 2, 'c');return 0;
}

當創建派生類對象時，編譯器會：

優先考慮派生類自身定義的構造函數。
如果沒有匹配的構造函數，則考慮通過 using Base::Base; 繼承的基類構造函數。
繼承的構造函數只會初始化基類部分，派生類的新增成員需通過默認初始化（如果有默認構造函數）或保持未初始化狀態。

訪問控制規則：

基類構造函數的訪問權限不變：如果基類的某個構造函數是 protected，繼承后在派生類中仍然是 protected。
派生類無法繼承基類的私有構造函數：因為私有成員對派生類不可見。

構造函數繼承的限制：

無法初始化派生類成員
無法繼承默認 / 拷貝 / 移動構造函數
沖突的構造函數會被刪除：如果派生類已經定義了與基類構造函數參數列表相同的構造函數，繼承的版本會被刪除。

7.9、空基類優化

為保證同一類型的不同對象地址始終有別，要求任何對象或成員子對象的大小至少為1，即使該類型是空的類類型（即沒有非靜態數據成員的類或結構體），否則兩個對象的大小為0，它們的內存地址可能相同，導致指針無法區分它們。

C++標準允許編譯器將空基類子對象的大小優化為0字節，即使普通對象必須至少1字節

class Empty {};  // 空基類class Derived : public Empty {int x;  // 只有一個數據成員
};// 通常 sizeof(int) 為 4 字節
// 由于 EBCO，Empty 基類子對象的大小被優化為 0
// 因此 sizeof(Derived) == 4，而非 5！