一、初始化列表

1.1 概念

• 在创建对象时编译器通过调用构造函数给对象中各个成员变量一个合适的初始值。

函数体内初始化

class Date
{
public:
    //函数体内初始化
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

• 虽然上述构造函数调用之后对象中已经有了一个初始值但是不能将其称为对对象中成员变量的初始化构造函数函数体中的语句只能将其称为赋初值而不能称作初始化。因为初始化只能初始化一次而构造函数体内可以多次赋值。

• 初始化列表以一个冒号开始接着是一个以逗号分隔的数据成员列表每个"成员变量"后面跟一个放在括号中的初始值或表达式。

初始化列表初始化

class Date
{
public:
    //初始化列表初始化
	Date(int year, int month, int day)
	: _year(year)
	, _month(month)
	, _day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

注意每个成员变量在初始化列表中只能出现一次(初始化只能初始化一次)

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1.2 必须在初始化列表初始化的成员

• 引用成员变量必须在定义的时候初始化
• const成员变量必须在定义的时候初始化
• 自定义类型成员且该类没有默认构造函数时

class A
{
public:
	A(int a)
	:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};
	
class B
{
public:
B(int a, int &ref)
	//成员变量的定义
	:_aobj(a)
	,_ref(ref)
	,_n(10)
	{}
private:
	//成员变量的声明
	A _aobj; // 没有默认构造函数
	int& _ref; // 引用
	const int _n; // const
};

int main(){
	int x = 0;
	//对象整体定义实例化
	B b(6,x);
	return 0;
}

• 自定义类型尽量使用初始化列表初始化因为不管你是否使用初始化列表对于自定义类型成员变量一定会先使用初始化列表初始化。

• 初始化列表可以认为是成员变量定义的地方无论是内置类型还是自定义类型都要经过初始化列表进行初始化。

提示之前讲过的在内置类型声明之后加缺省值的做法(C++11)实际上是在为初始化列表提供缺省值。如果在初始化列表中没有显示的给值就会使用缺省值。

既然初始化列表这么好为什么还需要函数体内初始化呢

• 答一些比较复杂的初始化步骤在函数体内实现更方便如申请动态内存等。初始化列表只适合做简单的赋值表达式的运算显示调用其他自定义类型成员的构造函数等。有些初始化工作还是必须在函数体内完成的。

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1.3 初始化列表中的初始化顺序

成员变量在类中声明次序就是其在初始化列表中的初始化顺序与其在初始化列表中的先后次序无关

//这个程序的运行结果是什么呢
class A
{
public:
    //按声明顺序初始化
	A(int a)
		:_a1(a)
		,_a2(_a1)
	{}
	void Print() {
	cout<<_a1<<" "<<_a2<<endl;
	}
private:
	int _a2;
	int _a1;
};

int main() {
	A aa(1);
	aa.Print();
}
A. 输出1 1
B.程序崩溃
C.编译不通过
D.输出1 随机值 √

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二、explicit关键字

• 构造函数不仅可以构造与初始化对象对于单个参数或者除第一个参数无默认值其余均有默认值的构造函数还具有类型转换的作用。
• 构造函数前加explicit关键字可以禁止这样的隐式类型转换。

“单参”构造函数的隐式类型转换

class Date
{
public:
// 1. 单参构造函数没有使用explicit修饰具有类型转换作用
// explicit修饰构造函数禁止类型转换---explicit去掉之后代码可以通过编译
explicit Date(int year)
:_year(year)
{}

// 2. 虽然有多个参数但是创建对象时后两个参数可以不传递没有使用explicit修饰具有类型转换作用
// explicit修饰构造函数禁止类型转换
/*
explicit Date(int year, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
*/
Date& operator=(const Date& d)
{
if (this != &d)
{
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
return *this;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};

void Test()
{
	Date d1(2022); // 直接调用构造函数
	Date d2 = 2023; // 隐式类型转换构造临时对象 + 拷贝构造d2 + 优化 ==> 直接调用构造函数
	
	// 隐式类型转换过程中产生的临时变量具有常性
	// Date &d3 = 2023; //编译报错
	const Date &d3 = 2023; //编译通过 
    
	// 和内置类型的类型转换类似
	int i = 10;
    const double &d = i;
}

1. 用一个整形变量给日期类型对象赋值
2. 实际编译器背后会用2023构造一个临时匿名对象最后用该匿名对象给d2对象进行拷贝构造
3. 编译器优化后会直接调用构造函数
4. 构造函数前加explicit禁止类型转换此时编译报错。不能再使用赋值号构造对像了。

单参数构造函数支持隐式类型转换的意义

//传参尽量传引用传引用尽量加const
//void func(string s)
void func(const string &s){}

int main(){
    //以下是定义字符串类的两种方式
	string s1("hello");
	string s2 = "hello"; //显然第二种方式用着更舒服编译器支持这样的写法就是因为上面提到的隐式类型转换。 
   
    //以下是调用有关字符串函数的两种方式
    string str("i love china");
    func(str);
    func("i love china");//显然第二种方式用着更舒服编译器支持这样的写法就是因为上面提到的隐式类型转换。 
    return 0;
}

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三、匿名对象

顾名思义匿名对象的特点就是不用取名字就可以定义的对象。

int main(){
    Date d1(2022);
    Date(2022); //匿名对象
    //匿名对象在定义语句结束后就会析构
    Date(1900).Print //构造匿名对象并打印日期
    //匿名对象在定义语句结束后就会析构
}

• 匿名对象的声明周期只在定义的这一行这行语句结束就会立刻调用析构函数。

• 匿名对象的意义通过构造匿名对象简单快速的访问类中的成员函数访问结束立即销毁不长时间占用系统资源。

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四、static成员

4.1 概念

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。

面试题实现一个类计算程序中创建出了多少个类对象

class A
{
public:
    A() { ++_scount; }
	A(const A& t) { ++_scount; }
	~A() { --_scount; }
    //静态成员函数
	static int GetACount() { return _scount; }
private:
	//静态成员为所有类对象所共享静态成员变量存放在静态区
    //静态成员变量的声明 
	static int _scount;
};
//静态成员变量必须在类外定义
int A::_scount = 0;

void TestA()
{
	cout << A::GetACount() << endl;
	A a1, a2;
	A a3(a1);
	cout << A::GetACount() << endl;
}

4.2 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关键字但需要在变量名前加类域。

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只能访问静态成员。

5. 静态成员也是类的成员受public、protected、private 访问限定符的限制

6. 对比全局变量静态成员变量的封装性更好。

7. 类对象的大小不包括静态成员变量。

【问题】

1. 静态成员函数可以调用非静态成员函数吗不可以没有this指针
2. 非静态成员函数可以调用类的静态成员函数吗可以静态成员属于整个类

设计一个只能在栈上定义的类

class StackOnly{
public:
	//定义一个静态成员函数可以不通过实例化对象访问该函数
    static StackOnly CreatObj(int x = 0, int y = 0){
        StackOnly so(x,y); //只能在栈上定义
        return so;
    }
private:
	//将构造函数设为私有只能通过CreatObj在栈上定义对象
    StackOnly(int x = 0, int y = 0)
        :_x(x)
        ,_y(y)
    {}
   
    int _x;
    int _y;
}

int main(){
    //StackOnly so1;
    //static StackOnly so2;
    StackOnly so3 = StackOnly::CreatObj();
}

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五、友元

友元提供了一种突破封装的方式有时提供了便利。但是友元会增加耦合度破坏了封装所以友元不宜多用。
友元分为友元函数和友元类

5.1 友元函数

问题现在尝试去重载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。

将流插入重载定义为成员函数

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	// d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
	// 因为成员函数第一个参数一定是隐藏的this所以d1必须放在<<的左侧
	ostream& operator<<(ostream& _cout)
	{
		_cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

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
{
	//类中声明友元函数
	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;
};
//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
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
	return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
	_cin >> d._year;
	_cin >> d._month;
	_cin >> d._day;
	return _cin;
}

int main()
{
	Date d;
	cin >> d;
	cout << d << endl;
	return 0;
}

说明:

• 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修饰没有this指针
• 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

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5.2 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。

1. 友元关系是单向的不具有交换性。
   比如下面的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。
2. 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是A的友元。
3. 友元关系不能继承在继承位置再给大家详细介绍。

class Time
{
	friend class Date; // 声明日期类为时间类的友元类则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
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;
};

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六、内部类

概念如果一个类定义在另一个类的内部这个类就叫做内部类。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。

注意内部类天生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。

特性

1. 内部类受外部类的类域限制需加域限定符才能使用内部类定义对象。
2. 内部类天生就是外部类的友元类
3. 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的受访问限定符的限制。
4. 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。
5. sizeof(外部类)=外部类和内部类没有任何关系。

class A
{
private:
	static int k;
	int h;
public:
	class B // B天生就是A的友元
	{
	public:
		void foo(const A& a)
		{
			cout << k << endl; //直接访问外部类中的static成员OK
			cout << a.h << endl; //访问外部类非静态成员OK
		}
	};
};

int A::k = 1;

int main()
{
    cout << sizeof(A) << endl; //结果为4 不包括静态成员和内部类的大小
	A::B b; //内部类受外部类的类域限制需加域限定符才能使用内部类定义对象
	b.foo(A());
	return 0;
}

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七、拷贝对象时的一些编译器优化

在一条语句中连续的构造一般都会被编译器优化合二为一。

举例说明

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;
};

// 传值传参
void f1(A aa)
{}
// 传值返回
A f2()
{
A aa;
return aa;
}

int main()
{
    // 隐式类型转换1次构造+1次拷贝构造 -> 优化为直接构造
    A aa2 = 1;     
	f1(1);
	// 一个表达式中连续构造+拷贝构造->优化为一个构造
	f1(A(2));
	cout << endl;
	// 一个表达式中连续的两次拷贝构造->优化一个拷贝构造
	A aa3 = f2(); //f2结束之前将原先返回给临时变量的数据直接优化返回给aa3aa3充当临时变量的价值
	cout << endl;
	// 一个表达式中连续拷贝构造+赋值重载->无法优化
	aa1 = f2();
	cout << endl;
	return 0;
}

注意以上的优化不在一个步骤中语句中不能触发编译器的优化机制。

题目以下代码共调用了多少次构造和拷贝构造函数

Widget f(Widget u){
    Widget v(u);
    Widget w = v;
    return w;
}

int main(){
    Widget x;
    Widget y = f(f(x));
    return 0;
}

答案1次构造7次拷贝构造

release模式下优化后的拷贝构造次数更少编译器会将一些无意义的步骤直接删掉。