第十章——对象和类

面向对象编程（OOP）是一种特殊的、设计程序的概念性方法，下面是最重要的OOP特性：

抽象
封装和数据隐藏
多态
继承
代码的可重用性

为了实现这些特性并将它们组合在一起，C++所做的最重要的是提供了类

采用过程性编程首先考虑需要遵循的步骤，然后考虑如何表示这些数据

采用OOP方法时，首先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

抽象和类

生活中充满复杂性，处理复杂性的方法之一是简化和抽象

类型是什么

指定基本类型完成了三项工作：

决定数据对象需要的内存数量
决定如何解释内存中的位（long 和float在内存中占用的位数相同，但将它们转换为数值的方法不同）
决定可使用数据对象执行的操作或方法

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。

下面来看一个表示股票的类

将某人当前持有的某种股票作为一个基本单元，数据表示中包含他持有的股票数量，将其可执行的操作限制为

获得股票
增持
卖出股票
更新股票价格
显式关于所持股票的信息

可以根据上述清单定义stock类的公有接口，为支持该接口，需要存储一些信息

股票的公司名称
所持股票的数量
美股的价格
股票总值

接下来定义类，一半类由两个部分组成

类声明：以数据成员的方式描述数据部分，以成员函数（方法）的方式描述共有接口
类方法定义：描述如何实现类成员函数

通常将类定义放在头文件中，并将实现（类方法的代码）放在源代码文件中

stock00.h

#ifndef STOCK00_H_
#define STOCK00_H_

#include<string>
class Stock
{
private:
	std::string company;
	long shares;
	double share_val;
	long total_val;
	void set_tot() { total_val = shares * share_val; }
public:
	void acquire(const std::string& co, long n, double pr);
	void buy(long num, double price);
	void sell(long num, double price);
	void update(double price);
	void show();
};
#endif

C++关键字class指出这些代码定义了一个类设计，这种语法指出，Stock是这个新类的类型名。该声明让我们能够声明Stock类型的变量——称为对象或实例，每个对象都表示一只股票，比如下面创建了两个Stock对象

Stock sally;
Stock solly;

1.访问控制

我们可以看见关键字private和public，他们描述了对类成员的访问控制。使用类对象的程序都可以直接访问共有部分，但只能通过公有成员函数（或友元函数）来访问对象的私有成员。例如要修改Stock类的shares成员，只能通过Stock的成员函数。因此公有成员函数是程序和对象的私有成员之间的桥梁，提供了对象和程序之间的接口，防止程序直接访问数据被称为数据隐藏。

类设计尽可能将共有接口与实现细节分开，共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）也是一种封装。

数据隐藏不仅可以防止直接访问数据，还让开发者（类的用户）无需了解数据是如何被表示的

2.控制对成员的访问：共有还是私有

无论类成员是数据成员还是成员函数，都可以在类的共有部分或私有部分中声明它。但由于隐藏数据是OOP的主要目标之一，因此数据项通常放在私有部分，组成类接口的成员函数放在共有部分

类和结构它们之间的唯一区别是，结构的默认访问访问类型是public，而类为private

实现类成员函数

还需要创建类描述的第二部分：为那些由类声明中的原型表示的成员函数提供代码。

成员函数定义与常规函数定义相似，它们有函数头和函数体，也可以有返回类型和参数。但是它们还有两个特殊的特征：

定义成员函数时，使用作用域解析运算符（::）来标识函数所属的类
类方法可以访问类的private组件

stock00.cpp

#include<iostream>
#include"stock00.h"

void Stock::acquire(const std::string& co, long n, double pr)
{
	company = co;
	if (n < 0)
	{
		std::cout << "Number of shares can't be negative; "
			<< company << " shares set to 0.";
		shares = 0;
	}
	else
		shares = n;
	share_val = pr;
	set_tot();
}
void Stock::buy(long num, double price)
{
	if (num < 0)
	{
		std::cout << "Number of shares purchased can't be negative. "
			<< "Transaction is aborted.\n";
	}
	else
	{
		shares += num;
		share_val = price;
		set_tot();
	}
}
void Stock::sell(long num, double price)
{
	using std::cout;
	if (num < 0)
	{
		cout << "Number of shares can't be negative. "
			<< "Transsaction is aborted.\n";
	}
	else if (num > shares)
	{
		cout << "You can't sell more than you have! "
			<< "Transaction is aborted.\n";
	}
	else
	{
		shares -= num;
		share_val = price;
		set_tot();
	}
}
void Stock::update(double price)
{
	share_val = price;
	set_tot();
}
void Stock::show()
{
	std::cout << "Company: " << company << '\n';
	std::cout << "Shares: " << shares << '\n';
	std::cout << "Shares Price: " << share_val << '\n';
	std::cout << "Total Worth: " << total_val << '\n';
}

1.内联方法

位于类声明中的函数会自动成为内联函数，也可以在类声明之外定义成员函数，并使其成为内联函数，为此只需要在类实现部分中定义函数时使用inline限定符即可：

class Stock
{
private:
	...
		void set_tot();			//definition kept separate
public:
	...
};
inline void Stock::set_tot()	//use inline in definition
{
	total_val = shares * share_val;
}

2.方法使用哪个对象

创建的每个新对象都有自己的存储空间，用于存储内部变量和类成员；但同一个类的所有对象共享同一组方法，即每种方法只有一个副本

使用类

知道如何定义类及其方法后，来创建一个程序，它创建并使用类对象。C++的目标是使得使用类与使用基本的内置类型（int、double等）尽可能相同

usestock00.cpp

#include<iostream>
#include"stock00.h"
int main()
{
	Stock stock1;
	stock1.acquire("NanoSmart", 20, 12.5);
	stock1.show();
	stock1.buy(15, 25.5);
	stock1.show();
	stock1.sell(400, 18.8);
	stock1.show();
	stock1.buy(1000000, 30.25);
	stock1.show();
	stock1.sell(500000, 10.55);
	stock1.show();
	return 0;
}

main()函数只是用来测试Stock类的设计。当Stock类的运行情况与预期的相同后，便可以在其他程序中将Stock类作为用户定义的类型来使用。

小结

指定类设计的第一步是提供类声明。类声明类似结构声明，可以包括数据成员和函数成员。声明私有部分，在其中声明的成员只能通过成员函数进行访问；声明还具有共有部分，在其中声明的成员函数可被使用类对象的程序直接访问。通常数据成员放在私有部分中，成员函数放在共有部分中，因此典型的类声明的格式如下：

class className
{
    private:
        data member declarations
    public:
        member function prototypes
};

共有部分的内容构成了设计的抽象部分——共有接口。将数据封装到私有部分中可以保护数据的完整性，这被称为数据隐藏。C++通过类使得实现抽象、数据隐藏和封装等OOP特性很容易

指定类设计的第二步是实现类成员函数。可以在类声明中提供完整的函数定义，而不是函数原型，但是通常的做法是单独提供函数定义（除非函数很小）。在这种情况下，需要使用作用域解析运算符来指出成员函数属于哪个类。

类的构造函数和析构函数

C++的目标之一是让使用类对象就像使用标准类型一样，但是到现在为止，前面提供的代码还不能让我们像初始化int那样来初始化Stock对象

int year = 2001;
struct thing 
{
    char *pb;
    int m;
};
thing anb ={"wodget",-23};    //valid initialization
Stock hot ={"Sussy",200,50.5; //error

不能像上面那样初始化Stock对象的原因在于，数据部分的访问状态是私有的，这意味着程序不能直接访问数据成员。程序只能通过成员函数来访问数据成员，因此需要设计合适的成员函数，才能将对象初始化。

C++提供了一个特殊的成员函数——类构造函数，专门用于构造新对象、将值赋给它们的数据成员

声明和定义构造函数

现在需要创建Stock的构造函数。由于需要为Stock对象提供3个值，因此应为构造函数提供3个参数。（第四个值total_val成员，是根据shares和share_val计算得到的，因此不必为构造函数提供这个值），下面是构造函数的一种可能定义

Stock::Stock(const string & co, long n ,double pr)
{
    company = co;
    if(n < 0)
    {
        std::cout<<"Number of shares can't be negative; "
                << company <<" shares set to 0";
        shares = 0;
    }
    else
        shares = n;
    share_val = pr;
    set_tot();
}

不熟悉构造函数的可能会写出下面的语句

Stock::Stock(const string & company, long shares ,double share_val)
{
...
}

这是错误的。构造函数的参数表示的不是类成员，而是赋给类成员的值，因此参数名不能与类成员相同。

使用构造函数

C++提供了两种使用构造函数来初始化对象的方式。第一种方式是显式地调用构造函数：

Stock food = Stock("World Cabbage",250,1.25);

这将food对象的company成员函数设置为字符串”World Cabbage“，将shares成员设置为250，以此类推

另一种方式是隐式地调用构造函数：

Stock garment("Furry Mason",50 ,2.5);

默认构造函数

默认构造函数是在未提供显式初始值时，用来创建对象的构造函数，也就是下面这种情况

Stock stock1;

这条语句管用的原因在于，如果没有提供任何构造函数，则C++将自动提供默认构造函数。

仅当程序中没有提供任何构造函数时，编译器才会提供默认构造函数。

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。

（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。）

使用上述任何一种方式（没有参数或所有参数都有默认值）创建了默认构造函数后，便可以声明对象变量，而不对它们进行显式初始化.

析构函数

用构造函数创建对象后，程序负责跟踪该对象直到过期为止。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

例如，如果构造函数使用new来分配内存，则析构函数将使用delete来释放这些内存。Stock的构造函数没有使用new，因此析构函数实际上没有需要完成的任务，只需要让编译器生成一个什么都不做的隐式析构函数即可

析构函数的名称：在类名前加上~。因此Stock()类的析构函数为~Sock（）。

与构造函数不同的是，析构函数没有参数，因此Stock析构函数的原型必须是这样的：~Stock();

由于在类对象过期时析构函数将自动被调用，因此必须有一个析构函数。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。

const 成员函数

请看下面的代码段

const Stock land = Stock("Kuudorn");
land.show();

对于当前的C++来说，编译器将拒绝执行第二行代码。因为show（）的代码无法确保调用对象不被修改——调用对象和const一样，不应被修改。我们以前通过将函数参数声明为const引用或指向const的指针来解决这种问题，但是这里存在语法问题：show()函数没有任何参数。需要一种新的语法——保证函数不会修改调用对象。C++的解决方法是将const关键字放在函数的括号后面。

void show() const;

以这种方式声明和定义的类函数被称为const成员函数，只要类方法不修改调用对象，就应将其声明为const

构造函数和析构函数小结

构造函数是一种特殊的类成员函数，在创建类对象时被调用。构造函数的名称和类名相同，但通过函数重载，可以创建多个同名的构造函数，条件是每个函数的特征标（参数列表）都不同。另外构造函数没有声明类型。。通常，构造函数用于初始化类对象的成员，初始化应与构造函数的参数列表匹配

默认构造函数没有参数，因此如果创建对象时没有进行显式地初始化，则将调用默认构造函数。如果程序中没有提供任何构造函数，则编译器会为程序定义一个默认构造函数；否则必须自己提供默认构造函数。

默认构造函数可以没有任何参数；如果有，则必须给所有参数都提供默认值

就像对象被创建时程序将调用构造函数一样，当对象被删除时，程序将调用析构函数，每个类只能有一个析构函数。析构函数没有返回值，也没有参数，其名称是类名称前加上~。

this指针

到目前为止，每个类成员函数都只涉及一个对象，即调用它的对象，但有时方法可能涉及到两个对象，在这种情况下需要使用C++的this 指针

假设要对Stock对象stock1和stock2进行比较，并将其中股价总值较高的那一个赋给top对象，则可以使用下面两条语句之一：

top = stock1.topval(stock2);
top = stock2.topval(stock1);

第一种格式隐式地访问stock1,显式地访问stock2；第二种格式显式地访问stock1，隐式地访问stock2；无论使用哪一种方式，都将对这两个对象进行比较，并返回股价总值较高的那一个对象。实际上这种方法有些混乱，如果可以使用关系运算符>来比较这两个对象将较为清晰。

const Stock & Stock::topval(const Stock & s)const
{
    if(s.total_val > total_val)
        return s;
    else
        return ???
}

s.total_val 是作为参数传递的对象的总值，total_val是用来调用该方法的对象的总值。如果s.total_val大于total_val，则函数将返回指向s的引用；否则将返回用来调用该方法的对象，问题在于如何称呼这个对象？

C++解决这种问题的方法是：使用被称为this的特殊指针，。this指针指向用来调用成员函数的对象。

这样函数调用stock1.topval(stock2)将this设置为stock1对象的地址

所有的类方法都是将this指针设置为调用它的对象的地址。

现在我们可以利用this指针完成上面的方法定义了

const Stock & Stock::topval(const Stock & s)const
{
    if(s.total_val > total_val)
        return s;
    else
        return *this;
}

返回类型为引用意味着返回的是调用对象本身，而不是其副本。

类作用域

前面我们介绍过全局作用域和局部作用域。可以在全局变量所属文件的任何地方使用它，而局部变量只能在其所属的代码块中使用

C++引入了一种新的作用域：类作用域

在类中定义的名称（如类数据成员名和类成员函数名）的作用域都为整个类，作用域为整个类的名称只在该类中是已知的，在类外是不可知的。因此可以在不同类中使用相同的类成员名而不会引起冲突