C++中的类和对象：从入门到理解

#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{
public:
    // 成员函数
    void Init(int n = 4)
    {
        array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
        if (nullptr == array)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        }

        capacity = n;
        top = 0;
    }

    void Destroy()
    {
        free(array);
        array = nullptr;
        top = capacity = 0;
        }

private:
    // 成员变量
    int* array;
    size_t capacity;
    size_t top;
}; // 分号不能省略

1.2访问限定符

public修饰的成员在类外可以直接被访问；protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问。

访问权限作⽤域从该访问限定符出现的位置开始直到下⼀个访问限定符出现时为⽌，如果后⾯没有访问限定符，作⽤域就到 }即类结束。

class定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private，struct默认为public。

⼀般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别⼈使⽤的成员函数会放为public。

1.3类域

类定义了⼀个新的作⽤域，类的所有成员都在类的作⽤域中，在类体外定义成员时，需要使⽤ :: 作⽤域操作符指明成员属于哪个类域。

类域影响的是编译的查找规则，成员函数在类域外被调用时如果不指定类域，那么编译器就会把成员函数当作全局函数，那么便宜时，找不到成员函数的定义，就会报错。

#include <iostream>
using namespace std;

class Date{
public:
    void Init(int year = 2000,int month = 1,int day = 1);

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

//声明和定义分离，需要指定类域
void Date::Init(int year,int month,int day){
    _year = year;
    _month = _month;
    _day = _day;
}

二、实例化

2.1实例化的概念

⽤类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。

类是对象进⾏⼀种抽象描述，是⼀个模型⼀样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，⽤类实例化出对象时，才会分配空间。

⼀个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象占⽤实际的物理空间，存储类成员变量。


#include <iostream>
using namespace std;

class Date{
public:
    void Init(int year = 2000,int month = 1,int day = 1);

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

//声明和定义分离，需要指定类域
void Date::Init(int year,int month,int day){
    _year = year;
    _month = _month;
    _day = _day;
}


int main(){
    //Date类实例化对象d1
    Date d1;
    
    return 0;
}

2.2对象大小

类实例化出的每个对象，都有独⽴的数据空间，对象中只存储成员变量，C++规定类实例化的对象也要符合内存对⻬的规则。

内存对齐规则：

第⼀个成员在与结构体偏移量为0的地址处。

其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。

注意：对齐数 = 编译器默认的⼀个对齐数与该成员⼤小的较小值。

结构体总大小为：最⼤对齐数（所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小）的整数倍。

如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最⼤对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最⼤对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

三、this指针

编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加⼀个当前类类型的指针，叫做this 指针。⽐如Date类的Init的真实原型为， void Init(Date* const this, int year, int month, int day)

类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this- >_year = year;

C++规定不能在实参和形参的位置显⽰的写this指针(编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显式使用this指针。

#include<iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
    // void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
    void Init(int year, int month, int day)
    {

    _year = year;
    this->_month = month;
    this->_day = day;
    }

    void Print()
    {
        cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
    }
private:
    // 这⾥只是声明，没有开空间
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

四、类的默认成员函数

⽤户没有显式实现，编译器会⾃动⽣成的成员函数称为默认成员函数。⼀个类，我们不写的情况下编译器会默认⽣成以下6个默认成员函数，需要注意的是这6个中最重要的是前4个，C++11以后还会增加两个默认成员函数，移动构造和移动赋值。

默认成员函数很重要，也⽐较复杂，我们要从两个⽅⾯去学习：

第⼀：我们不写时，编译器默认⽣成的函数⾏为是什么，是否满⾜我们的需求。

第⼆：编译器默认⽣成的函数不满⾜我们的需求，我们需要⾃⼰实现，那么如何⾃⼰实现？

6个默认成员函数：

初始化和清理：构造函数主要完成初始化工作析构函数主要完成清理工作

拷贝复制：拷贝构造是使用同类对象初始化创建对象赋值重载主要是把一个对象赋值给另一个已经初始化好的对象

取地址重载：主要是普通对象和const对象取地址。

4.1构造函数

构造函数是特殊的成员函数，构造函数的主要任务并不是开空间创建对象(我们常使⽤的局部对象是栈帧创建时，空间就开好了)，⽽是对象实例化时初始化对象。

构造函数的特点：

函数名与类名相同。

⽆返回值。 (返回值啥都不需要给，也不需要写void，不要纠结，C++规定如此)

对象实例化时系统会自动调用对应的构造函数。

构造函数可以重载。

如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会⾃动⽣成⼀个⽆参的默认构造函数，⼀旦⽤⼾显式定义编译器将不再⽣成。

无参构造函数、全缺省构造函数、我们不写构造时编译器默认生成的构造函数，都叫做默认构造函数。但是这三个函数有且只有⼀个存在，不能同时存在。总结⼀下就是不传实参就可以调⽤的构造就叫默认构造函数。大部分情况要自己写构造函数。

我们不写，编译器默认⽣成的构造，对内置类型成员变量的初始化没有要求，也就是说是是否初始化是不确定的，看编译器。对于⾃定义类型成员变量，要求调⽤这个成员变量的默认构造函数初始化。如果这个成员变量，没有默认构造函数，那么就会报错。

#include<iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
    // 1.⽆参构造函数
    Date()
    {
        _year = 1;
        _month = 1;
        _day = 1;
    }

    // 2.带参构造函数
    Date(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }

    // 3.全缺省构造函数
    /*Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }*/

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

4.2析构函数

析构函数与构造函数功能相反，析构函数不是完成对对象本⾝的销毁，⽐如局部对象是存在栈帧的，函数结束栈帧销毁，他就释放了，不需要我们管，C++规定对象在销毁时会⾃动调⽤析构函数，完成对象中资源的清理释放工作。

析构函数的特点：

析构函数名是在类名前加上字符 ~。

⽆参数⽆返回值。 (这⾥跟构造类似，也不需要加void)

⼀个类只能有⼀个析构函数。若未显式定义，系统会⾃动⽣成默认的析构函数。

对象⽣命周期结束时，系统会⾃动调⽤析构函数。

跟构造函数类似，我们不写，编译器自动生成的析构函数对内置类型成员不做处理，自定类型成员会调用他的析构函数。

还需要注意的是我们显⽰写析构函数，对于⾃定义类型成员也会调⽤他的析构，也就是说自定义类型成员变量无论什么情况都会自动调用析构函数。

如果类中没有申请资源时，析构函数可以不写，直接使⽤编译器⽣成的默认析构函数；如果默认⽣成的析构就可以⽤，也就不需要显式写析构：但是有资源申请时，⼀定要自己写析构，否则会造成资源泄漏。

⼀个局部域的多个对象，C++规定后定义的先析构。

#include<iostream>
using namespace std;

typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
    Stack(int n = 4)
    {
        _a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
        if (nullptr == _a)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        }

    _capacity = n;
    _top = 0;
    }

    ~Stack()
    {
        cout << "~Stack()" << endl;

        free(_a);
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }

private:
    STDataType* _a;
    size_t _capacity;
    size_t _top;
};

4.3拷贝构造函数

拷⻉构造是⼀个特殊的构造函数

拷贝构造的特点：

拷⻉构造函数是构造函数的⼀个重载。

拷⻉构造函数的第⼀个参数必须是类类型对象的引用，使⽤传值⽅式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发⽆穷递归调⽤。拷⻉构造函数也可以多个参数，但是第⼀个参数必须是类类型对象的引⽤，后⾯的参数必须有缺省值。

C++规定⾃定义类型对象进⾏拷⻉⾏为必须调⽤拷⻉构造，所以这⾥⾃定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成。

若未显式定义拷⻉构造，编译器会⽣成⾃动⽣成拷⻉构造函数。⾃动⽣成的拷⻉构造对内置类型成员变量会完成值拷⻉/浅拷贝(⼀个字节⼀个字节的拷⻉)，对⾃定义类型成员变量会调⽤他的拷⻉构造。

像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器⾃动⽣成的拷⻉构造就可以完成需要的拷⻉，所以不需要我们显⽰实现拷⻉构造。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器⾃动⽣成的拷⻉构造完成的值拷⻉/浅拷⻉不符合我们的需求，所以需要我们⾃⼰实现深拷⻉(对指向的资源也进⾏拷⻉)。如果⼀个类显式实现了析构并释放资源，那么他就需要显式写拷贝构造，否则就不需要。

传值返回会产⽣⼀个临时对象调⽤拷⻉构造，传值引用返回，返回的是返回对象的别名(引⽤)，没有产生拷贝。但是如果返回对象是⼀个当前函数局部域的局部对象，函数结束就销毁了，那么使⽤引⽤返回是有问题的，这时的引⽤相当于⼀个野引⽤，类似⼀个野指针⼀样。传引用返回可以减少拷贝，但是⼀定要确保返回对象，在当前函数结束后还在，才能用引用返回。

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;

class Stack
{
public:
    Stack(int n = 4)
    {
        _a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);

        if (nullptr == _a)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        }

        _capacity = n;
        _top = 0;
    }

Stack(const Stack& st)
    {
        // 需要对_a指向资源创建同样⼤的资源再拷⻉值
        _a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * st._capacity);
        if (nullptr == _a)
        {
            perror("malloc申请空间失败!!!");
            return;
        }

        memcpy(_a, st._a, sizeof(STDataType) * st._top);

        _top = st._top;
        _capacity = st._capacity;
    }

~Stack()
    {
        cout << "~Stack()" << endl;
        free(_a);
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }

private:
    STDataType* _a;
    size_t _capacity;
    size_t _top;
};

4.4运算符重载

C++规定类类型对象使⽤运算符时，必须转换成调⽤对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错。

运算符重载是具有特殊名字的函数，他的名字是由operator和后⾯要定义的运算符共同构成。和其他函数⼀样，它也具有其返回类型和参数列表以及函数体。

重载运算符函数的参数个数和该运算符作⽤的运算对象数量⼀样多。⼀元运算符有⼀个参数，⼆元运算符有两个参数，⼆元运算符的左侧运算对象传给第⼀个参数，右侧运算对象传给第⼆个参数。

如果⼀个重载运算符函数是成员函数，则它的第⼀个运算对象默认传给隐式的this指针，因此运算符重载作为成员函数时，参数比运算对象少⼀个。

运算符重载以后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持⼀致。

不能通过连接语法中没有的符号来创建新的操作符：⽐如operator@。

.* :: sizeof ?: . 注意以上5个运算符不能重载。

重载操作符⾄少有⼀个类类型参数，不能通过运算符重载改变内置类型对象的含义，如： int operator+(int x, int y)。

⼀个类需要重载哪些运算符，是看哪些运算符重载后有意义，⽐如Date类重载operator-就有意义，但是重载operator+就没有意义。

重载++运算符时，有前置++和后置++，运算符重载函数名都是operator++，⽆法很好的区分。 C++规定，后置++重载时，增加⼀个int形参，跟前置++构成函数重载，⽅便区分。

重载<<和>>时，需要重载为全局函数，因为重载为成员函数，this指针默认抢占了第⼀个形参位置，第⼀个形参位置是左侧运算对象，调⽤时就变成了对象<<cout，不符合使⽤习惯和可读性。重载为全局函数把ostream/istream放到第⼀个形参位置就可以了，第⼆个形参位置当类类型对象。

#include<iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }

    void Print()
    {
        cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
    }

//private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

// 重载为全局的⾯临对象访问私有成员变量的问题
// 有⼏种⽅法可以解决：
// 1、成员放公有
// 2、Date提供getxxx函数
// 3、友元函数
// 4、重载为成员函数

bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
{
    return d1._year == d2._year
            && d1._month == d2._month
            && d1._day == d2._day;
}

赋值运算符重载

赋值运算符重载是⼀个默认成员函数，⽤于完成两个已经存在的对象直接的拷⻉赋值，这⾥要注意跟拷⻉构造区分，拷⻉构造⽤于⼀个对象拷⻉初始化给另⼀个要创建的对象。

赋值运算符重载的特点：

赋值运算符重载是⼀个运算符重载，规定必须重载为成员函数。赋值运算重载的参数建议写成const 当前类类型引⽤，否则会传值传参会有拷⻉。

有返回值，且建议写成当前类类型引⽤，引⽤返回可以提⾼效率，有返回值目的是为了支持连续赋 值场景。

没有显式实现时，编译器会⾃动⽣成⼀个默认赋值运算符重载，默认赋值运算符重载⾏为跟默认拷⻉构造函数类似，对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(⼀个字节⼀个字节的拷⻉)，对⾃定义类型成员变量会调⽤他的赋值重载函数。

像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器⾃动⽣成的赋值运算符重载就可以完成需要的拷⻉，所以不需要我们显⽰实现赋值运算符重载。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器⾃动⽣成的赋值运算符重载完成的值拷⻉/浅拷⻉不符合我们的需求，所以需要我们⾃⼰实现深拷⻉(对指向的资源也进⾏拷⻉)。如果⼀个类显式实现 了析构并释放资源，那么他就需要显式写赋值运算符重载，否则就不需要。

class Date
{
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }

    Date(const Date& d)
    {
        cout << " Date(const Date& d)" << endl;

        _year = d._year;
        _month = d._month;
        _day = d._day;
    }

    // 传引⽤返回减少拷⻉
    // d1 = d2;
    Date& operator=(const Date& d)
    {
        // 不要检查⾃⼰给⾃⼰赋值的情况
        if (this != &d)
        {
            _year = d._year;
            _month = d._month;
            _day = d._day;
        }

        // d1 = d2表达式的返回对象应该为d1，也就是*this
        return *this;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

4.5取地址运算符重载

const成员函数

将const修饰的成员函数称之为const成员函数，const修饰成员函数放到成员函数参数列表的后 ⾯。所有不修改成员变量的成员函数都建议加上const（防止权限放大）

const实际修饰该成员函数隐含的this指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进⾏修改。

取地址运算符重载

取地址运算符重载分为普通取地址运算符重载和const取地址运算符重载，⼀般这两个函数编译器⾃动⽣成的就可以够我们⽤了，不需要去显⽰实现。

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