【C++温故知新】（六）详解C++中的类和对象

类与接口

类是一种将抽象转换为用户定义类型的C++工具，它将数据表示和操作数据的方法组合成一个整洁的包。接口提供给我们从外部访问类与类内的成员和方法的一个途径。

一般对一个类的典型的实现策略是：将接口（类的定义）放在头文件中，将其实现（类方法的代码）放在源代码文件中

类的声明框架

class ClassName
{
private:
// some private variables and functions
 
public:
// some public variables and functions
};

访问控制

访问限定符有三个：private、public、protected，它们规定了修饰的变量和方法能够被访问的范围，在没有声明时，默认是private的。

这里先对三个访问限定词做一个比较全面的介绍：

• private :
  • 类（基类）自身的成员函数
  • 类（基类）友元的成员函数
• public :
  • 基类自身的成员函数
  • 基类友元的成员函数
  • 基类所产生派生类的成员函数
  • 基类所产生的派生类的友元函数
  • 其他的全局函数
• protected :
  • 基类的成员函数
  • 基类的友元函数
  • 基类派生类的成员函数

例如一个类：

类的成员函数的实现

类的成员函数和一般的函数实现基本相同，还要增添如下两点：

• 需要使用 :: 符号（作用域解析运算符）来标识这个函数是属于哪一个类的，因为不同的类可以有相同名称的函数
• 类的方法可以访问类内的 private 的组件

int ClassName::myFunction(double a);

• 类的成员函数也可以是内联的，只要加上关键词 inline 即可
• 类的成员函数可以在类内定义时同时完成逻辑，也可以在类的外部定义

类的使用

类的实例化和一般的数据类型相同，调用类实例下的某个成员函数或者变量使用 . 点。

ClassName myClassInstance;
myClassInstance.aFunction();

类的构造函数和析构函数

构造函数

类的构造函数需要和类同名，是在类实例化的时候调用的，在实例化一个类的时候，虽然我们没有显示地声明，但是还是调用了构造函数，而C++对每一个类都有默认的构造函数，就是不接受任何参数，什么都不做，也无返回值。我们可以定义自己的构造函数并且调用它。

例如一个类MyClass的定义如下：

class MyClass
{
private:
    int myInt;
    double myDouble;
public:
    MyClass(int mi, double md) { myInt = mi; myDouble = md;};
    MyClass() { myInt = 1; myDouble = 0.2;};
}

这里我们使用了一个包含两个参数的构造函数，它的作用是对两个private的成员变量赋值。

构造函数不能像其他成员函数一样使用对象（类的实例）来用点调用，因为构造函数是在实例化类的时候就调用的，比如如下的调用方式：

MyClass myClass = MyClass(1, 0.2);
MyClass myClass(1, 0.2);
MyClass * myClassPoint = new MyClass(1, 0.2);

如果是使用的默认构造函数或者构造函数没有参数的话，可以直接声明对象而不显示地调用构造函数，比如我们的类中还有一个重载的没有参数的构造函数，它可以这样被调用：

MyClass myClass; // 隐式调用
MyClass myClass = MyClass(); // 显示调用
MyClass * myClass = new MyClass(); // 隐式调用
MyClass myClassFunction(); // 这是一个返回值是MyClass的函数

析构函数

用构造函数创建对象后，程序负责跟踪该对象，直到其过期为止，对象过期时，程序将自动调用一个特殊的成员函数，即析构函数。

析构函数用于完成清理工作，所以非常有用，例如如果构造函数用new分配了内存，则可以在析构函数中用delete释放内存。

默认的析构函数是什么都不做的。我们以可以显示地定义自己析构函数，析构函数是一个~符号加上类名来定义的，析构函数何时调用是取决于编译器的。

class MyClass
{
private:
    int myInt;
    double myDouble;
public:
    MyClass(int mi, double md) { myInt = mi; myDouble = md;};
    MyClass() { myInt = 1; myDouble = 0.2;};
    ~MyClass() { cout << "bye!"; };
}

const成员函数

const成员函数是指，保证该成员函数不会改变调用的对象，声明和定义const成员函数需要将const限定符加在成员函数的后边：

void show() const;
void MyClass::show() const
{
	// function body
}

以这种方式声明和定义的类函数即const成员函数，应该尽可能地将成员函数修饰为const，只要该类的方法不修改调用对象。

this指针

this指针在类的成员函数中，用来作为指向调用类对象自身的指针，即它指向自己的类的地址。我们上面的构造函数中的 myInt = mi; 这一语句，其实这里的 myInt 就是 this->myInt 的简写，因为在类中，可以直接用成员变量简单地替换 this-> 成员变量。

this指针在只操作自身类内成员的时候不会有特别多的作用，因为都可以省略它，但是一旦我们的成员函数涉及到两个及以上的类的对象时，this就发挥了很大的作用。例如我们有一个compare函数，用于比较两个MyClass类的实例的哪一个的myInt值更大，那么我们必然需要另一个MyClass的实例作为参数，然后让它的myInt和自己的myInt比较，然后返回myInt较大的那个MyClass的引用，所以可以这样声明这个函数：

const MyClass & MyClass::compare(const MyClass & myClass) const;

函数定义中涉及到三个const：

• 第一个const：表明返回值是一个MyClass，显然不能被改变，所以可以时const的
• 第二个const：传入的MyClass实例只是用于比较的，不需要改变，所以使用const
• 第三个const：由于成员函数不改变调用类对象，所以是const的成员函数

比较myInt的函数可以使用this来这样实现：

const MyClass & MyClass::compare(const MyClass & myClass) const
{
    if(myClass.myInt > this->myInt)
    	return myClass;
    else
    	return *this;
}

很显然，上边的 this->myInt 可以使用 myInt 直接简写，而返回自己调用类对象的时候，就只能用 this 来称呼了，而且需要注意的是，返回的是一个MyClass的引用，从而需要使用*this而不是直接返回this，因为this是指针

对象数组

类和其他数据结构一样，都可以创建数组，对象的数组即可以存储多个类对象，只需要像下边这样声明它们：

MyClass myClasses[3];
myClasses[0].show();
myClasses[1].compare(myClasses[2]);

运算符重载

运算符重载即将C++中的运算符重载扩展到用户自定义的类型，例如，+这个运算符，只能用于整形、浮点型、字符串等基本的数据结构相加，但是我们可以通过用户的定义，将其用于两个类的对象相加，两个数组相加等等，编译器会根据操作数和目的数的类型决定使用哪种定义。

运算符重载的写法

运算符重载的格式为：

operator op (arguments);

比如：

operator +( ); // 重载+运算符
operator *( ); // 重载*运算符
operator [ ]( ); // 重载[]运算符

一个运算符重载的例子

假设我们有一个时间类Time，由两个私有成员变量 hours、minutes 来代表小时和分钟，我们来实现Time类对象的相加逻辑。

class Time
{
private:
    int hours;
    int minutes;
public:
    Time;
    Time(int h, int m=0);
    Time operator + (const Time & t) const;
};
 
Time::Time()
{
	hours = minutes = 0;
}
 
Time::Time(int h, int m)
{
    hours = h;
    minutes = m;
}
 
Time Time::operator + (const Time & t) const
{
    Time sum;
    sum.minutes = minutes + t.minutes;
    sum.hours = hours + t.hours + sum.minutes / 60;
    sum.minutes %= 60;
    return sum;
}

使用这个重载的+运算符可以将两个Time的对象像其他一般数据类型一样进行相加：

Time time1;
Time time2;
Time total = time1 + time2; 

运算符重载的限制

多数C++运算符都可以用这样的方式重载。重载的运算符（有些例外情况）不必是成员函数，但必须至少有一个操作数是用户定义的类型。C++运算符重载的限制如下：

• 重载后的运算符必须至少有一个操作数是用户定义的类型，这将防止用户为标准类型重载运算符因此，例如不能将减法运算符重载为计算两个 double 值的和，而不是它们的差。
• 使用运算符时不能违反运算符原来的句法规则。例如，不能将求模运算符（%）重载成使用一个操作数的运算
• 不能修改运算符的优先级。例如，如果将加号运算符重载成将两个类相加，则新的运算符与原来的加号具有相同的优先级
• 不能创建新运算符。例如，不能定义 operator **() 函数来表示求幂
• 不能重载下面的运算符
  • sizeof ：sizeof 运算符
  • . ：成员运算符
  • * ：成员指针运算符
  • :: ：作用域解析运算符
  • ? : ：条件运算符
  • typeid：一个RTTI运算符
  • const_cast：强制类型转换运算符
  • dynamic_cast：强制类型转换运算符
  • reinterpret_cast：强制类型转换运算符
  • static_cast：强制类型转换运算符
• 大多数运算符都可以通过成员函数或者非成员函数进行重载，但是如下的运算符只能通过成员函数进行重载：
  • =：赋值运算符
  • ( )：函数调用运算符
  • [ ]：下标运算符
  • ->：通过指针访问类成员运算符

可以重载的运算符

+	-	*	/	%	^
&	|	~=	!	=	<
>	+=	-=	*=	/=	%=
^=	&=	|=	<<	>>	>>=
<<=	==	!=	<=	>=	&&
||	++	--	,	->*	->
()	[]	new	delete	new[]	delete[]

友元函数

类的友元函数是非成员函数，其访问权限与成员函数相同。

一个友元函数的例子

回到上面的Time类，我们重载运算符：将运算符重载成一个double值乘以一个Time类：

Time Time::operator * (const double d) const
{
    Time result;
    long totalMinutes = hours * d * 60 + minutes * d;
    result.hours = totalMinutes / 60;
    result.minutes = totalMinutes % 60;
    return result;
}

显然调用上述*的重载需要这样：

Time A();
Time B(1, 20);
A = B * 2.5;

相当于调用了这样的运算符重载的成员函数：

A = B.operator*(2.5);

但是，问题来了，如果使用 A = 2.5 * B 就无法成功，这似乎违背了乘法的分配律，这一点虽然并不有违于C++的语法，但是貌似并不用户友好，我们需要告诉使用的人只能用第一种方式而不能用第二种方式。解决这个问题有两个方法：

• 使用一个非成员函数来定义反写的情况：

Time operator * (double d, const Time & t)
{
	return t * m;
}

这种方式不失为是一种非常好的方法，而且如果有所修改，只需要修改类内的运算符重载即可。

• 使用友元函数
  和上述的思想类似，我们可以定义一个非成员函数，然后这样的重载运算符，从而定义一个double乘以一个Time类对象的操作：

Time operator * (double d, const Time & t);

但是问题在于类外的非成员函数无法访问类的私有变量。所以友元函数的作用在于可以访问类的私有成员，但是他是一个非成员函数。

创建友元函数

创建友元函数的第一步是将其原型放在类声明中，并在原型声明前加上关键字 friend：

friend Time operator*(double m, const Time t);

该原型意味着下面两点：

• 虽然 operator*() 函数是在类声明中声明的，但它不是成员函数，因此不能使用成员运算符来调用
• 虽然 operator*() 函数不是成员函数，但它与成员函数的访问权限相同

第二步是编写函数定义。因为它不是成员函数，所以不要使用 Time:: 限定符。另外，不能在定义中使用关键字 friend：

Time operator * (double d, const Time & t)
{
    Time result;
    long totalMinutes = hours * d * 60 + minutes * d;
    result.hours = totalMinutes / 60;
    result.minutes = totalMinutes % 60;
    return result;
}

上述定义后即可使用如下的语句来使用乘法：

A = 2.5 * B;

相当于调用友元函数：

A = operator*(2.5, B);

成员函数和非成员函数的选择

对于一般的运算符重载，比如+和-这种不会出现乘法那种左右交换的问题的，有两种解决方式：

Time operator + (const Time & t) const;
friend Time operator + (const Time & t1, const Time & t2);

第一种方式是通过this隐式地传递一个参数，另一个使用函数参数显示地传递；第二种方式是两个参数都显示地通过参数传递。在调用 T1 = T2 + T3 时，会分别编译成如下的形式：

T1 = T2.operator+(T3);
T1 = operator+(T2, T3);

但是，两种方式不能同时定义，只能选择其中一个，否则会引发二义性的编译错误，基于乘法的例子，显然使用友元函数比较通用。

类的自动转换和强制类型转换

强制类型转换

C++允许一些强制类型转换，比如强制将double值转换成int值，把double的2.5转换成int会成为2从而丢失0.5。但是如果用户希望进行强制转换只需要使用如下的方式：

targetType valueName = (targetType) value;
targetType valueName = targetType (value);

使用构造函数进行类的自动转换

假设我们有一个类

class MyClass
{
private:
    int myInt;
    double myDouble;
public:
    MyClass(double d);
    MyClass(int i, double d);
    MyClass();
    ~MyClass();
}
 
MyClass::MyClass(double d)
{
    myDouble = d;
    myInt = 0;
}
 
MyClass::MyClass(int i, double d)
{
    myDouble = d;
    myInt = i;
}
 
MyClass::MyClass()
{
}

然后我们尝试将一个double值赋给一个MyClass类对象：

MyClass myClass;
myClass = 2.5;

这是可以的，首先创建了一个MyClass的对象，然后使用2.5将其初始化，实际上是使用了第一个构造函数 MyClass(double)，这是一个隐式转换的过程，不需要进行强制转换。

只有接受一个参数的构造函数才能作为转换函数，如果像第二个构造函数那样有两个参数，不能用来转换类型，但是如果第二个参数有默认参数，就可以：

MyClass(int i, double d = 1.5);

这个可以将一个int值隐式地转换成MyClass类型。

如果不希望编辑器进行这种隐式转换，可以使用explicit关键词修饰构造函数，这样就无法使用该构造函数进行类型转换：

explicit MyClass(double d);

这样会关闭隐式转换，但依然允许显示转换，即使用显式地强制转换：

MyClass myClass;
myClass = MyClass(2.5);
myClass = (MyClass)2.5;

转换函数

上边提到了隐式或者显式地将基本数据类型的数据转换成类对象，接下来的问题是如何将一个类对象转换成其他的基本数据类型，这一点可以通过转换函数来实现。转换函数是用户定义的强制类型转换，需要这样定义：

operator dateType()；

需要注意的是：

• 转换函数必须是类方法
• 转换函数不能指定返回类型
• 转换函数不能有参数

比如我们将MyClass转换为一个double类型的变量，需要这样一个成员函数：

operator double();
 
MyClass::operator double()
{
	return myDoble;
}

然后就可以这样使用类型转换了：

MyClass myClass(1, 2.5);
double myDouble = (double) myClass;
double myDouble = double (myClass);

复制构造函数

复制构造函数接受其所属类的对象作为参数。例如，MyClass类的复制构造函数的原型如下：

MyClass(const MyClass &);

在下述情况下，将使用复制构造函数：

• 将新对象初始化为一个同类对象
• 按值将对象传递给函数
• 函数按值返回对象
• 编译器生成临时对象

如果程序没有使用（显式或隐式）复制构造函数，编译器将提供原型，但不提供函数定义；否则，程序将定义一个执行成员初始化的复制构造函数。也就是说，新对象的每个成员都被初始化为原始对象相应成员的值。如果成员为类对象,则初始化该成员时，将使用相应类的复制构造函数。

复制构造函数

复制构造函数接受其所属类的对象作为参数。例如，MyClass类的复制构造函数的原型如下：

MyClass(const MyClass &);

在下述情况下，将使用复制构造函数：

• 将新对象初始化为一个同类对象
• 按值将对象传递给函数
• 函数按值返回对象
• 编译器生成临时对象

如果程序没有使用（显式或隐式）复制构造函数，编译器将提供原型，但不提供函数定义；否则，程序将定义一个执行成员初始化的复制构造函数。也就是说，新对象的每个成员都被初始化为原始对象相应成员的值。如果成员为类对象,则初始化该成员时，将使用相应类的复制构造函数。

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放在同一篇就太长啦，这里直达下一篇文章：详解C++中类的继承

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