從C學C++(7)——static成員

從C學C++(7)——`static`成員

若無特殊說明，本博客所執行的C++標準均為C++11.

`static`成員和成員函數

對于特定類型的全體對象而言，有時候可能需要訪問一個全局的變量。比如說統計某種類型對象已創建的數量。

通常在C中使用全局變量來實現，如果我們用全局變量會破壞數據的封裝，一般的用戶代碼都可以修改這個全局變量，這時我們可以用類的靜態成員來解決這個問題。

非static數據成員存在于類類型的每個對象中static數據成員獨立該類的任意對象存在，它是與類關聯的對象，不與類對象關聯。

個人理解：把它等同于python中類成員就可以了，不過C++中使用static關鍵字其實說明它和一般靜態變量一樣，存在于.bss段或者.data段，生命周期是整個程序(不隨著對象實例創建或者銷毀)，所以其是獨立于類對象實例存在的，但只是C++編譯器在語法上把它歸類于某個類(本質在運行時和其他靜態變量無異)，需要我們使用類域或者對象實例去訪問(這個功能就和python中的類成員基本一致)。

類的`static`成員

特點：

static成員的名字是在類的作用域中，因此可以避免與其它類成員或全局對象名字沖突。
可以實施封裝，static成員可以是私有的，而全局對象不可以。
閱讀程序容易看出static成員與某個類相關聯，這種可見性可以清晰地反映程序員的意圖。

定義和注意事項

static成員需要在類定義體外進行初始化與定義。

這個還好理解，因為類定義其實和C中結構類型聲明是類似的，它只是聲明了一種類似，因此，它的static 成員也只是聲明里面有一個static 而已，真正這個獨立于類對象實例的static 成員總得找個地方定義它(畢竟它和一般的成員不一樣，一般的成員跟隨著對象的定義而創建(分配內存空間))。
特殊的整型static const成員：整型static const成員可以在類定義體中初始化和定義。(個人感覺更像是個語法糖，平時還是不用為好，而且只有整形可以，浮點和其它類型不可以，所以還是不用為好)。

枚舉常量類型

在類中定義的枚舉常量類型類似于static const 成員，是常量，而且被所有對象共享，屬于類。

類的static成員函數

static 成員函數沒有隱含的this指針。

因為是類成員函數，不是任何一個特定對象的成員函數，所以自然沒有隱含的this指針，也就意味著，在靜態成員函數中，沒有辦法直接訪問其他非靜態成員(函數)。
靜態成員函數不可以訪問非靜態成員。
非靜態成員函數可以訪問靜態成員。

具體對象實例可以訪問類變量，也可以訪問類函數一個道理。因為static 聲明的成員(函數)是所有類共享的。

類/對象實例的大小計算

類大小計算遵循前面學過的結構體對齊原則。
類的大小與數據成員有關與成員函數無關。
類的大小與靜態數據成員(函數)無關。
虛函數對類的大小的影響：會使類對象多4個字節的大小，用于存放虛表指針。
虛繼承對類的大小也會有影響。

static用法總結

函數內部修飾變量使其生存期為整個程序(C也一樣)

用于函數內部修飾變量，即函數內的靜態變量這種變量的生存期長于該函數，使得函數具有一定的"狀態”。使用靜態變量的函數一般是不可重入的，也不是線程安全的，比如strtok(3)。

函數外部修飾變量使其限制于該文件(C也一樣)

用在文件級別（函數體之外），修飾變量或函數，表示該變量或函數只在本文件可見，其他文件看不到也訪問不到該變量或函數。專業的說法叫“具有internal linkage”（簡言之：不暴露給別的translation unit,C/C++中最小編譯單元為文件)

修飾類的數據成員使其成為類成員(C沒有)

用于修飾類的數據成員，即所謂"靜態成員”。這種數據成員的生存期大于class的對象（實例/instance）。靜態數據成員是每個class有一份，普通數據成員是每個instance 有一份。

修飾類的成員函數使其成為類方法(C沒有)

用于修飾class的成員函數，即所謂“靜態成員函數”。這種成員函數只能訪問靜態成員和其他靜態成員函數，不能訪問非靜態成員和非靜態成員函數。

四種對象的作用域和生存期

棧對象

隱含調用構造/析構函數（程序中沒有顯示調用）
作用域為所屬的{} 的塊作用域內。
生存期跟隨所屬函數的執行(分配空間)和退出(釋放空間)。

堆對象

隱含調用構造/析構函數（程序中沒有顯示調用）。
作用域為所屬的{} 的塊作用域內。
生存期取決于用戶何時delete。

全局對象、靜態全局對象

全局對象的構造先于main函數(這個對于支持嵌入式的C++編譯器，會在進入main函數前的啟動匯編代碼中插入執行如__libc_init_array() 等的全局對象初始化函數鏈表執行)。
已初始化的全局變量或靜態全局對象存儲于.data段中。
未初始化的全局變量或靜態全局對象存儲于.bss(Block Started by Symbol)段中。
全局對象和靜態對象的生存期都是整個程序執行期間。

靜態局部對象

已初始化的靜態局部變量存儲于.data段中。
未初始化的靜態局部變量存儲于.bss段中。
對于靜態局部變量，如果是內置類型(整形、浮點等)，對象在編譯時就初始化好在.data段中了，但對于靜態局部的(我們自己定義的)類對象實例，其初始化是在代碼運行時完成的。(這個好理解，雖然其存在于.data段而非棧上，但由于類對象實例初始化時需要執行構造函數，而編譯器是沒有辦法執行函數的，只有運行到這段代碼的時候才能執行構造函數，所以其初始化必須推遲到運行時刻)。

`static` 和單例模式

單例模式

設計模式的一種：保證一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點。(目前暫時沒有想到其的用處，按照之前的經驗，感覺可能在對硬件封裝時可能會有用，畢竟底層真實的硬件可能只有一個)。

在C++中設計單例模式需要注意：禁止構造函數、拷貝函數和=運算符，并提供共一個全局的訪問點。

使用`static` 局部對象和引用返回實現單例模式

class Singleton{
public:static Singleton& getInstance() {static Singleton instance; // 局部靜態變量，保證只創建一次return instance;}~Singleton() {std::cout << "Singleton destroyed." << std::endl;}
private:Singleton(const Singleton& other); // 禁止拷貝構造Singleton& operator=(const Singleton& other); // 禁止賦值操作Singleton() {std::cout << "Singleton created." << std::endl;}
};

static 局部對象(利用其生存期為整個程序)，且static 局部對象只會初始化一次的特性。通過返回引用，保證每次getInstance() 函數返回的都是同一個靜態局部對象。需要注意，這里在調用函數的時候，必須使用引用來接收返回值(如果使用對象的話，這里會發生從引用到對象的賦值，而我們已經將拷貝構造函數聲明為private，因此會報錯，達到單例模式的目的)。

同時，因為返回的是引用，所以不存在多個對象釋放的時候出現空指針的問題，在程序結束的時候，只有靜態局部變量被釋放一次，其他都是引用，不存在釋放多次的問題。

Singleton& s1 = Singleton::getInstance(); // 獲取單例實例
Singleton& s2 = Singleton::getInstance(); // 再次獲取同一實例

`const` 成員函數/對象和`mutable`

`const` 成員函數

const成員函數不會修改對象的狀態。
const 成員函數只能訪問數據成員的值，不能修改它的值。

需要注意const 成員函數是在函數聲明和函數體之間加上const 關鍵字

class Test{
public:int get_x() const{ //這才是const成員函數return x; //且const成員函數內部不能修改數據成員的值}const int get_x1(){return x; // 這個函數只是一個返回const int 類型的成員函數而已，不是const成員函數}
private:    int x
}

`const` 對象的使用

如果把一個對象指定為const,就是告訴編譯器不要修改它。
const對象的定義：const 類名對象名(參數表);
const 對象定義的時候默認會把不會修改內部變量的成員函數定義為const 成員函數，而那些修改到內部變量的成員函數則是非const 的，因此，如果const 對象調用那些非const 成員函數則會報錯。

這個好理解，因為成員函數默認是會傳入一個this指針，那些要修改內部對象的成員函數傳入的指針是非const的，而const對象傳入自身指針是const類型，對C++來說，沒有顯式使用const_cast<>() 去除const 屬性，是不可能完成const到非const的類型轉換的。