C++必修：类与对象(二)

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所属专栏：C++学习
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1. 构造函数

1.1. 定义

构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同, 创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有 一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次。其特点如下：

  1. 函数名与类名相同。
  2. 无返回值。
  3. 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。
  4. 构造函数可以重载。

下面是一个日期类的构造函数

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(1,1,1);//自动调用
	d1.Print();
	return 0;
}

img

  • 构造函数的功能就相当于我们之前书写的初始化函数，但由于其自动调用的特性，大大提升了代码的容错率。

1.2. 注意

  1. 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，一旦用户显式定义编译器将不再生成。
class Date
{
public:
	/*Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}*/
    //编译器会自动生成一个无参的默认构造函数
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
  1. 无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个。注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。
class Date
{
public:
	Date()//无参
	{
		_year = 1900;
		_month = 1;
		_day = 1;
	}
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)//全缺省
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d;//引起歧义
	return 0;
}

img

当存在多个默认构造函数时，一旦我们对对象进行实例化，编译器不知道调用哪个构造函数，就会引起歧义。

  1. 编译器生成的默认构造函数只会对自定义类型(类)进行初始化，内置类型(int，double…)不会进行初始化，即调用自定义类型的构造函数。
class Betty
{
public:
	Betty()
	{
		cout << "Betty" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
class Date
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
private:
	Betty b;
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d;
	d.Print();
	return 0;
}

img

从上述实例观察，编译器自动生成的默认构造函数的确只对自定义类型进行初始化。

**特别注意：**C++11 中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又进行了优化，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。

class Date
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
private:
	int _year = 1;//缺省值
	int _month = 1;//缺省值
	int _day = 1;//缺省值
};
int main()
{
	Date d;
	d.Print();
	return 0;
}

img

2. 初始化列表

2.1. 定义

初始化列表作用与构造函数类似，它是在构造函数中以一个冒号开始，接着是以逗号分隔的数据成员列表，每个数据成员后面跟一个放在括号中的初始化式。

下面我们还是以一个日期类来示范：

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
	 //...
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d(2024,1,3);
	d.Print();
	return 0;
}

img

2.2. 注意

  1. 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)。
  2. 类中包含以下成员，必须放在初始化列表位置进行初始化：引用成员变量，const成员变量，自定义类型成员(且该类没有默认构造函数时)。因为这些变量都需要在定义时初始化。
class A
{
public:
	A(int a)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};
class B
{
public:
	B(int a, int ref)
		:_b(a)
		, _ref(ref)
		, _n(3)
	{}
private:
	A _b; // 没有默认构造函数
	int& _ref; // 引用
	const int _n; // const常量
};
  1. 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。
class A
{
public:
	A(int a = 1)//默认构造
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 1)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
class B
{
public:
	B(int a)
		:_m(a)
	{}
private:
	int _m;
	A _b; 
};
int main()
{
	B b(2);
	return 0;
}

img

  1. 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。
class A
{
public:
	A(int a)
		:_a1(a)
		, _a2(_a1)
	{}
	void Print() 
	{
		cout << _a1 << endl;
		cout << _a2 << endl;
	}
private:
	int _a2;
	int _a1;
};
int main()
{
	A aa(1);
	aa.Print();
}//输出？？

如果是以初始化列表的顺序，那应该输出1和1。如果以声明顺序，那应该是1与随机值。

img

3. 析构函数

3.1. 定义

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，局部对象销毁工作是由编译器完成的。而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工作。其特点如下：

  1. 析构函数名是在类名前加上字符 ~。
  2. 无参数无返回值类型。
  3. 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。注意：析构函数不能重载
  4. 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数。

下面是一个日期类的析构函数：

class Date
{
public:
	//构造函数
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
	//析构函数
	~Date()
	{
		_year = _month = _day = 0;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

析构函数就相当于C语言中的销毁函数，但由于其自动调用的特性，大大提升了代码的容错率。

3.2. 注意

  1. 如果类中没有显式定义析构函数，则C++编译器会自动生成一个析构函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。
class Date
{
public:
	//构造函数
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
	//析构函数
	/*~Date()
	{
		_year = _month = _day = 0;
	}*/
    //编译器会自动生成一个析构函数
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
  1. 编译器生成的析构函数对内置类型(int，double…)不会进行处理，对于自定义类型调用其析构函数。
class Betty
{
public:
	~Betty()
	{
		cout << "~Betty" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
class Date
{
public:
	//构造函数
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
	//默认生成
private:
	Betty b;
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

img

  1. 因为指针类型也属于内置类型，所以默认成员在动态内存开辟内存后，必须显式写成析构函数。不能靠编译器默认生成。
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 2)
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(DataType data)
	{
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	~Stack()
	{
		if (_array!=nullptr)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};

比如说上述代码，默认生成的析构函数并不会释放其内存，就可能造成内存泄漏。

4. 拷贝构造函数

4.1. 定义

**拷贝构造函数：**只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。其特点如下：

  1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	Date(const Date& d) 
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2024,2,2);
	Date d2(d1);//拷贝构造
	Date d3 = d1;//拷贝构造
    d1.Print();
	d2.Print();
	d3.Print();
	return 0;
}

img

4.2. 注意

  1. 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。
	Date(const Date d) //error
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}

img

  1. 若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	//Date(const Date& d)
	//{
	//	_year = d._year;
	//	_month = d._month;
	//	_day = d._day;
	//}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2024, 2, 2);
	Date d2(d1);//拷贝构造
	Date d3 = d1;//拷贝构造
	d1.Print();
	d2.Print();
	d3.Print();
	return 0;
}

img

  1. 因为编译器默认生成的拷贝构造函数是值拷贝，在某些场景下就会出错。比如说以下场景：
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
	{
		_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		_size = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	void Push(const DataType& data)
	{
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	~Stack()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};
int main()
{
	Stack s1;
	s1.Push(1);
	s1.Push(2);
	s1.Push(3);
	s1.Push(4);
	Stack s2(s1);//默认拷贝构造
	return 0;
}

img

为什么会出现这种情况呢？让我们看看下面这幅图：

img

因为默认生成的拷贝构造只是进行只拷贝，对于size，capacity拷贝并不会出现问题，但是当s1的_array拷贝给s2的_array时，就会让s1与s2的同时指向同一片空间。而我们知道当对象的作用域结束时，会自动调用析构函数，同时对同一片空间析构两次，就会保错。所以当类中需要资源申请时，都需要手动写拷贝构造。

  1. 拷贝构造的应用场景有很多，能用引用尽量用引用，减少拷贝，提高程序效率。

5. 运算符重载

5.1. 定义

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具由运算符operator定义有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。该函数能让我们自定义类型像内置类型一样使用-，+，*，/等运算符。

下面实现了简单判断日期是否相当的运算符重载：

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
	 //...
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
bool operator == (const Date&d1,const Date& d2)
{
	return d1._year == d2._year
		&& d1._month == d2._month
		&& d1._day == d2._day;
}
int main()
{
	Date d1(2024,1,1);
	Date d2(2024, 1, 1);
	if (d1 == d2)//也可以显示调用operator==(d1,d2);
	{
		cout << "日期相等" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "日期不相等" << endl;
	}
	return 0;
}

当然我们也可以将运算符重载声明在类中。

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

5.2. 注意

  1. 不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@重载操作符必须有一个类类型参数
  2. 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型 + ，不 能改变其含义
  3. 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this
  4. .* sizeof ? : :: . 注意以上5个运算符不能重载。

6. 赋值运算符重载

6.1. 定义

赋值运算符重载是将运算符 =进行运算符重载。但是它相较于其他运算符重载有着自己独特的特点。

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	Date& operator=(const Date& d)//赋值运算符重载
	{
		if (this != &d)
		{
			_year = d._year;
			_month = d._month;
			_day = d._day;
		}
		return *this;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
  • 参数类型：const T& ，传递引用可以提高传参效率。
  • 返回值类型：T& ，返回引用可以提高返回的效率，支持连续赋值。
  • 检测是否自己给自己赋值。
  • 返回* this ：要复合连续赋值的值。

6.2. 注意

  1. 用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝。注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值。
class Time
{
public:
	Time()
	{
		_hour = 1;
		_minute = 1;
		_second = 1;
	}
	Time& operator=(const Time& t)
	{
		cout << "Time& operator=(const Time& t)" << endl;
		if (this != &t)
		{
			_hour = t._hour;
			_minute = t._minute;
			_second = t._second;
		}
		return *this;
	}
private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _second;
};
class Date
{
private:
	// 基本类型(内置类型)
	int _year = 2024;
	int _month = 1;
	int _day = 1;
	// 自定义类型
	Time _t;
};
int main()
{
	Date d1;
	Date d2;
	d1 = d2;
	return 0;
}

img

  1. 因为编译器默认生成默认赋值运算符重载的是值拷贝，在某些场景下就会出错。具体实例参考拷贝构造函数。
  2. 赋值运算符只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数。
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
Date& operator=(Date& left, const Date& right)//error
{
	if (&left != &right)
	{
		left._year = right._year;
		left._month = right._month;
		left._day = right._day;
	}
	return left;
}

因为赋值运算符如果不显式实现，编译器会生成一个默认的赋值运算符重载。此时用户再在类外自己实现一个全局的赋值运算符重载，就会和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突。

7. const修饰函数

首先我们得知道一个规则就是，**const修饰的常变量不能赋值给普通变量，因为这样造成const权限的放大，但是普通变量可以赋值给const修饰的常变量。**所以让我们来看看这段代码：

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
		cout << "year:" << _year << endl;
		cout << "month:" << _month << endl;
		cout << "day:" << _day << endl << endl;
	}
private:
	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};

int main()
{
	const Date d2(2022, 1, 13);
	d2.Print();//error
	return 0;
}

这段代码会出错，因为d2进行函数传参是将const Date*传过去，而函数接受参数的类型为Date*，这样就会造成权限的放大。为了解决这个问题，就需要使用const修饰原函数

	void Print() const
	{
		cout << "Print()" << endl;
		cout << "year:" << _year << endl;
		cout << "month:" << _month << endl;
		cout << "day:" << _day << endl << endl;
	}

并且与原函数构成重载，可以同时存在。

8. 取地址及const取地址操作符重载

我们知道对自定义类型使用运算符需要对其进行重载，那么&自然也不例外。

class Date
{
public:
	Date* operator&()
	{
		return this;
	}
	const Date* operator&()const
	{
		return this;
	}
private:
	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};

这两个运算符一般不需要重载，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需要重载，比如不想让别人获取到原有地址！

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