【C++ Primer Plus】第十章：对象和类

第十章 对象和类

10.1 过程性编程与面向对象编程

如果采用过程性编程方法，首先考虑要遵循的步骤，然后考虑如何表示这些数据；

如果采用OOP方法，首先要考虑的是数据，不仅要考虑如何表示数据，还要考虑如何使用数据。从用户的角度考虑对象——描述对象所需的数据以及描述用户与数据交互所需的操作。完成对接口的描述后，需要确定如何实现接口和数据存储。最后，使用新的设计方案创建出程序。

10.2 C++中的类

类是一种将抽象转换为用户定义类型的C++工具，它将数据表示和操纵数据的方法组合成一个整洁的包。

类的组成：

• 类声明：以数据成员的方式描述数据部分，以成员函数（被称为方法）的方式描述公有接口。
• 类方法定义：描述如何实现类成员函数。

接口是一个共享框架，供两个系统交互时使用。对于类，我们说公共接口，在这里，公众（public）是使用类的程序，交互系统由类对象组成，而接口由编写类的人提供的方法组成。接口让程序员能够编写与类对象交互的代码，从而让程序能够使用类对象。然而，要使用某个类，必须了解其公共接口；要编写类，必须创建其公共接口。

防止程序直接访问数据被称为数据隐藏。类设计尽可能将公有接口与实现细节分开。公有接口表示设计的抽
象组件。将实现细节放在一起并将它们与抽象分开被称为封装。数据隐藏（将数据放在类的私有部分中）是一种封装，将实现的细节隐藏在私有部分中，也是一种封装。封装的另一个例子是，将类函数定义和类声明放在不同的文件中。

控制对成员的访问：公有还是私有？

类对象的默认访问控制：private。类和结构的唯一区别是结构的默认访问类型是public，而类为private。

10.3 实现类成员函数

类成员函数相较于普通函数的两个特殊的特征：

• 使用作用域运算符解析：：来指出函数所属的类；
• 类方法可以访问类的private组件；

内联方法

其定义位于类声明中的函数都将自动成为内联函数。但是，如果愿意，也可以在类声明之外定义成员函数，并使其成为内联函数。内联函数的特殊规则要求在每个使用它们的文件中都对其进行定义。确保内联定义对多文件程序中的所有文件都可用的、最简便的方法是：将内联定义放在定义类的头文件中。

所创建的每个新对象都有自己的存储空间，用于存储其内部变量和类成员；但同一个类的所有对象共享同一组类方法，即每种方法只有一个副本。例如，假设kate和joe都是Stock对象，则kate.shares将占据一个内存块，而joe.shares占用另一个内存块，但kate.show( )和joe.show( )都调用同一个方法，也就是说，它们将执行同一个代码块，只是将这些代码用于不同的数据。在OOP中，调用成员函数被称为发送消息，因此将同样的消息发送给两个不同的对象将调用同一个方法，但该方法被用于两个不同的对象。

客户/服务器模型

OOP程序员常依照客户/服务器模型来讨论程序设计。在这个概念中，客户是使用类的程序。类声明（包括类方法）构成了服务器，它是程序可以使用的资源。客户只能通过以公有方式定义的接口使用服务器，这意味着客户（客户程序员）唯一的责任是了解该接口。服务器（服务器设计人员）的责任是确保服务器根据该接口可靠并准确地执行。服务器设计人员只能修改类设计的实现细节，而不能修改接口。这样程序员独立地对客户和服务器进行改
进，对服务器的修改不会客户的行为造成意外的影响。

构造函数

Stock *pstock = new Stock("Electroshock Games",18,19.0);

这条语句创建一个Stock对象，将其初始化为参数提供的值，并将该对象的地址赋给pstock指针。在这种情况下，对象没有名称，但可以使用指针来管理该对象。构造函数被用来创建对象，而不能通过对象来调用构造函数。

当且仅当没有定义任何构造函数时，编译器才会提供默认构造函数。为类定义了构造函数后，程序员就必须为它提供默认构造函数。如果提供了非默认构造函数，但没有提供默认构造函数，则下面的声明将出错：

Stock stock1;

这样做的原因可能是想禁止创建未初始化的对象。然而，如果要创建对象，而不显式地初始化，则必须定义一个不接受任何参数的默认构造函数。定义默认构造函数的方式有两种。一种是给已有构造函数的所有参数提供默认值：

Stock(const string & co = "Error", int n = 0 , double pr = 0.0);

另一种方式是通过函数重载来定义另一个构造函数——一个没有参数的构造函数：

Stock();

由于只能有一个默认构造函数，因此不要同时采用这两种方式。实际上，通常应初始化所有的对象，以确保所有成员一开始就有已知的合理值。因此，用户定义的默认构造函数通常给所有成员提供隐式初始值。在设计类时，通常应提供对所有类成员做隐式初始化的默认构造函数。

隐式地调用默认构造函数时，不要使用圆括号:

Stock f1();//f1()是一个返回Stock对象的函数。
Stock f2;//调用默认构造函数。

析构函数

对象过期时，程序将自动调用一个特殊的成员函数：析构函数。析构函数完成清理工作。如果构造函数使用new来分配内存，则析构函数将可以使用delete来释放这些内存；如果构造函数中没有使用new，则只需让编译器生成一个什么都不要做的隐式构造函数即可。

什么时候应调用析构函数呢？这由编译器决定。如果创建的是静态存储类对象，则其析构函数将在程序结束
时自动被调用。如果创建的是自动存储类对象（就像前面的示例中那样），则其析构函数将在程序执行完代码块时（该对象是在其中定义的）自动被调用。如果对象是通过new创建的，则它将驻留在栈内存或自由存储区中，当使用delete来释放内存时，其析构函数将自动被调用。最后，程序可以创建临时对象来完成特定的操作，在这种情况下，程序将在结束对该对象的使用时自动调用其析构函数。

如果程序员没有提供析构函数，编译器将隐式地声明一个默认析构函数。

构造函数不仅仅可用于初始化新对象。例如：

stock1 = Stock("Nifty Foods",10,50);

stock1对象已经存在，因此这条语句不是对stock1进行初始化，而是将新值赋给它。这是通过让构造程序创建一个新的、临时的对象，然后将其内容复制给stock1来实现的。随后程序调用析构函数，以删除该临时对象。

如果既可以通过初始化，也可以通过赋值来设置对象的值，则应采用初始化方式。通常这种方式的效率更高。

const成员函数

将const用于函数括号的后面将保证函数不会修改调用对象：但是这样将不能使用this来修改对象的值。

void stock::show() const;

以这种方式声明和定义的类函数被称为const成员函数。就像应尽可能将const引用和指针用作函数形参一样，只要类方法不修改调用对象，就应将其声明为const。

对象数组

Stock mystuff[4];
const int SIZE = 4;
Stock stocks[SIZE]={
    Stock("Nano",12,24),
    Stock("Boffo",200,23),
    Stock("Na",12,24),
    Stock("Bo",200,23)
}//第一个调用默认构造函数，第二个调用显式构造函数。

因此，要创建类对象数组，则这个类必须有默认构造函数。

作用域为类的常量

有时候，使符号常量的作用域为类很有用。

class Bakeery{
    private :
    const int SIZE =2;
    double cost[SIZE];
    ...
}

但这是行不通的，因为声明类只是描述了对象的形式，并没有创建对象。因此，在创建对象前，将没有用于存储值的空间，然而，有两种方式可以实现这个目标，并且效果相同。

第一种方式是在类中声明一个枚举。在类声明中声明的枚举的作用域为整个类，因此可以用枚举为整型常量提供作用域为整个类的符号名称：

class Bakery{
    private:
   	enum{Months = 2};
    double cost[Months];
    ...
}

注意，用这种方式声明枚举并不会创建类数据成员。也就是说，所有对象中都不包含枚举。

C++提供了另一种在类中定义常量的方式——使用关键字static：

class Bakery{
    private:
   	static const int Months = 2;
    double cost[Months];
    ...
}

这将创建一个名为Months的常量，该常量将与其他静态变量存储在一起，而不是存储在对象中。因此，只有一个Months常量，被所有Bakery对象共享。

作用域内枚举

传统的枚举存在一些问题，其中之一是两个枚举定义中的枚举量可能发生冲突：

enum egg {Small , Medium , Large , Jumbo};
enum t_shirt {Small , Medium , Large , Jumbo};

这将无法通过编译，因为egg Small和t_shirt Small位于相同的作用域内，它们将发生冲突。为避免这种问题，C++11提供了一种新枚举，其枚举量的作用域为类。这种枚举的声明类似于下面这样：

enum class egg {Small , Medium , Large , Jumbo};
enum class t_shirt {Small , Medium , Large , Jumbo};

也可使用关键字struct代替class。无论使用哪种方式，都需要使用枚举名来限定枚举量：

egg choice = egg::Large;
t_shirt Floyd = t_shirt::Large;

在有些情况下，常规枚举将自动转换为整型，但作用域内枚举不能隐式地转换为整型,必须显式转换：

enum egg {Small , Medium , Large , Jumbo};
enum class t_shirt {Small , Medium , Large , Jumbo};
egg one = Small;
t_shirt two = t_shirt::Small;
int king = one;//OK
int ring = two;//NOK

默认情况下，C++11作用域内枚举的底层类型为int。也可以显式的改动底层类型：

enum class : short pizza {Small,Medium};

:short将底层类型指定为short，但指定的底层类型必须为整型。

10.4 抽象数据类型（abstract datatype，ADT）

顾名思义，ADT以通用的方式描述数据类型，而没有引入语言或实现细节。例如，通过使用栈，可以以这样的方式存储数据，即总是从堆顶添加或删除数据。例如，C++程序使用栈来管理自动变量。当新的自动变量被生成后，它们被添加到堆顶；消亡时，从栈中删除它们。

下面简要地介绍一下栈的特征。首先，栈存储了多个数据项（该特征使得栈成为一个容器——一种更为通用的抽象）；其次，栈由可对它执行的操作来描述：

• 可创建空栈。
• 可将数据项添加到堆顶（压入）。
• 可从栈顶删除数据项（弹出）。
• 可查看栈否填满。
• 可查看栈是否为空。

可以将上述描述转换为一个类声明，其中公有成员函数提供了表示栈操作的接口，而私有数据成员负责存储栈数据。类概念非常适合于ADT方法。比如我们定义一个栈类，这个类不是根据特定的类型来定义栈，而是根据通用的Item类型来描述。在这个例子中，头文件使用typedef用Item代替unsigned long。如果需要double栈或结构类型的栈，则只需修改typedef语句，而类声明和方法定义保持不变。

typedef unsigned long Item;

10.5 总结

面向对象编程强调的是程序如何表示数据。使用OOP方法解决编程问题的第一步是根据它与程序之间的接口来描述数据，从而指定如何使用数据。然后，设计一个类来实现该接口。一般来说，私有数据成员存储信息，公有成员函数（又称为方法）提供访问数据的唯一途径。类将数据和方法组合成一个单元，其私有性实现数据隐藏。

通常，将类声明分成两部分组成，这两部分通常保存在不同的文件中。类声明（包括由函数原型表示的方法）应放到头文件中。定义成员函数的源代码放在方法文件中。这样便将接口描述与实现细节分开了。从理论上说，只需知道公有接口就可以使用类。当然，可以查看实现方法（除非只提供了编译形式），但程序不应依赖于其实现细节，如知道某个值被存储为int。只要程序和类只通过定义接口的方法进行通信，程序员就可以随意地对任何部分做独立的改进，而不必担心这样做会导致意外的不良影响。

类是用户定义的类型，对象是类的实例。这意味着对象是这种类型的变量，例如由new按类描述分配的内存。C++试图让用户定义的类型尽可能与标准类型类似，因此可以声明对象、指向对象的指针和对象数组。可以按值传递对象、将对象作为函数返回值、将一个对象赋给同类型的另一个对象。如果提供了构造函数，则在创建对象时，可以初始化对象。如果提供了析构函数方法，则在对象消亡后，程序将执行该函数。

每个对象都存储自己的数据，而共享类方法。如果mr_object是对象名，try_me( )是成员函数，则可以使用成员运算符句点调用成员函数：mr_object.try_me( )。在OOP中，这种函数调用被称为将try_me消息发送mr_object对象。在try_me( )方法中引用类数据成员时，将使用mr_object对象相应的数据成员。同样，函数调用i_object.try_me( )将访问i_object对象的数据成员。

如果希望成员函数对多个对象进行操作，可以将额外的对象作为参数传递给它。如果方法需要显式地引用调用它的对象，则可以使用this指针。由于this指针被设置为调用对象的地址，因此*this是该对象的别名。

类很适合用于描述ADT。公有成员函数接口提供了ADT描述的服务，类的私有部分和类方法的代码提供了实现，这些实现对类的客户隐藏。