【c++】类和对象（七）

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朋友们大家好，本篇文章来到类和对象的最后一部分

目录

1.static成员1.1特性 2.友元2.1引入：<<和>>的重载2.2友元函数2.3友元类 3.内部类4.匿名对象5.拷贝对象时的一些编译器优化

1.static成员

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。静态成员变量一定要在类外进行初始化

例题：统计A类型创造了多少个对象

class A{public:A(){}A(const A& a){}private:};A Func(){A aa;return aa;}int main(){A aa1;A aa2;Func();return 0;}

我们的方法之一就是统计构造函数调用了多少次，我们就需要全局变量

int n = 0;class A{public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}private:};A Func(){A aa;return aa;}int main(){A aa1;A aa2;Func();cout << n << endl;return 0;}

但是这个n是不好控制的，能不能把n封装到类里面，避免别人随意修改呢？

class A{public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}private: int n =0;};

但是由于对象的不同，n就不是同一个n，那么如果我想要使同一个n++呢？

这里就需要设置静态变量

private:static int n;

这个n就不属于某一个对象，而是属于所有对象，属于整个类，所以它的初始化不能放在初始化列表执行，那么它的初始化应该在哪里呢？所以需要在类外面定义：

class A{public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}private:static int n;};int A::n = 0;

这个n则受到类的限制，无法随意访问，如果想访问n，有几种办法：

方法一，将n改为公有，但是破坏了封装性，不建议方法二，get函数

class A{public:A(){++n;}A(const A& a){++n;}static int Getn(){return n;}private:static int n;};

讲解一下这里的静态成员函数static int Getn()

静态成员函数在类中有特殊的作用和行为。在上面的代码示例中，Getn 函数是一个静态成员函数，它的主要特点和用法包括：

类范围内的函数：静态成员函数属于整个类，**而不是类的某个特定对象。**因此，它不能访问类的非静态成员变量或成员函数，因为这些成员需要一个特定的对象实例来确定它们的上下文

无需对象实例：可以在没有类的对象实例的情况下调用静态成员函数。这是因为静态成员函数不依赖于任何特定对象的状态。在上面的例子中，A::Getn() 可以在没有创建 A 类对象的情况下调用，它提供了一种访问类静态成员（如 n）的方式

调用方式：静态成员函数可以通过类名直接调用（如 A::getCreationCount()），也可以通过类的对象调用

静态成员函数通常用于提供一些与类的任何特定实例无关的功能，或者访问静态成员变量，而不依赖于类的对象。在设计类时，如果某个函数的行为不需要依赖于对象的状态，那么就应该将其声明为静态的

1.1特性

静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，存放在静态区静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字，类中只是声明类静态成员即可用 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静态成员也是类的成员，受public、protected、private 访问限定符的限制

2.友元

友元（Friend）在C++中是一个重要的概念，它允许某些特定的外部函数或类访问另一个类的私有（private）或受保护（protected）成员

2.1引入：<<和>>的重载

我们在前面讲到各种运算符重载，以及赋值运算符重载，那么能不能直接重载<<和>>,实现输入和输出呢？

class Date{public:Date(int year, int month, int day)     : _year(year)     , _month(month)     , _day(day) {}private: int _year; int _month; int _day;};

如果我们想用这两个运算符，就得自己实现重载

cout是ostream类的一个对象，运算符重载可以这样写：

void operator<<(ostream& out){out << _year << "-" << _month << "-" << _day;}

我们现在调用这个重载发现报错：

因为这里左操作数是d1，所以调用是这种方式：

class Date{public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}void operator<<(ostream& out){out << _year << "-" << _month << "-" << _day;}private:int _year;int _month;int _day;};

意味着我们必须这样调用：

d1<<cout;

不符合常规调用

作为成员函数重载，this指针占据了第一个参数，意味着Date必须是左操作数

所以，这个这个函数只能写为全局函数，而不能是成员函数

但是这里访问不了私有成员，我们先将其置为公有

class Date{public:Date(int year, int month, int day): _year(year), _month(month), _day(day){}//private:int _year;int _month;int _day;};void operator<<(ostream& out,Date &d){out << d._year << "-" << d._month << "-" <<d._day;}int main(){Date d1(2005, 6, 23);cout << d1;return 0;}

这下可以进行访问

但是，这里并不能进行连续的输出，比如以下形式：

Date d1(2005, 6, 23);Date d2(2024, 4, 2);cout << d1<<d2;

我们可以这么理解，cout是从左向右进行的，与连续赋值相反的顺序，cout<<d1,返回cout，返回值作为左操作数，再进行流插入，所以我们得增加ostream的返回值：

ostream& operator<<(ostream& out,const Date &d){out << d._year << "-" << d._month << "-" <<d._day;return out;}

同理可以完成流提取：

istream& operator>>(istream& _cin, Date& d){ _cin >> d._year; _cin >> d._month; _cin >> d._day; return _cin;}

2.2友元函数

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的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

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{ 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;};

特点：

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

2.3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

class Time{friend class Date;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;};

友元关系是单向的，不具有交换性：比如上述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

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时A的友元

友元关系不能继承

3.内部类

如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。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

内部类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

class A{private:static int k;int h;public:class B // B天生就是A的友元{public:void fun(const A& a){cout << k << endl;//OKcout << a.h << endl;//OK}};};int A::k = 1;int main(){A::B b;b.fun(A());return 0;}

B可以访问A的所有成员

特性：

内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。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。sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系

A::B b;

B这个类受到A类的类域的限制

4.匿名对象

class A{public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a;};

有名对象：

A aa1;A aa2(100);

匿名对象：

A();A(11);

在这个代码示例中：

class A{public:    A(int a = 0)        :_a(a)    {        cout << "A(int a)" << endl;    }    ~A()    {        cout << "~A()" << endl;    }private:    int _a;};int main(){    A();    return 0;}

A(); 这一行创建了一个 A 类的匿名对象。匿名对象是指在创建时没有被赋予一个变量名的对象。它们通常用于临时的操作，比如传递对象作为函数参数，或者从函数返回对象时不需要保留对象的名称

在这个特定的例子中，A(); 创建了一个 A类型的实例，但没有变量名与之关联。这意味着这个对象只在它被创建的那条语句中存在。一旦这条语句执行完毕，这个匿名对象的生命周期就结束了，它会被立即销毁。因此，紧接着构造函数的调用后，析构函数也会被立即调用

输出将会是：

A(int a)~A()

class Solution {public: int Sum_Solution(int n) { //... return n; }};int main(){Solution().Sum_Solution(10);return 0;}

匿名对象在这样场景下就很好用，当我需要一个临时对象去调用其成员函数，但又不想为这个临时使用的对象创建一个具体的变量名，这样使用就很方便

5.拷贝对象时的一些编译器优化

在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝

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;};void f1(A aa){}A f2(){A aa;return aa;}

我们在主函数设置几个变量来测试一下优化行为：

A aa1=2;

这里原本应该是构造加拷贝构造，在优化下合为构造：

int main(){const A& aa2 = 2;return 0;}

这里就只有构造，没有拷贝构造，没有进行优化，原因如下：

当你在C++中使用const A& aa2 = 2;这行代码时，其实发生了一系列复杂的操作，它们体现了C++对于效率和对象生命周期管理的考量。下面是详细解释：

临时对象的构造
首先，2是一个整数字面量，它本身并不是A类型的对象。当这行代码执行时，C++需要一个A类型的对象来与aa2绑定。因此，编译器查找A类，找到了一个可以接受单个整数作为参数的构造函数A(int a = 0)。使用这个构造函数，编译器创建一个匿名的A类型的临时对象。这个过程中，构造函数被调用，打印出A(int a)。

绑定到常量引用
在很多编程语言中，通常不能直接将一个临时对象（或字面量）赋值给一个引用。然而，C++允许一个临时对象绑定到一个常量引用上。这里的const A& aa2 = 2;正是这样的情况。这行代码实际上告诉编译器：“创建一个临时的A对象，并将aa2作为这个临时对象的一个常量引用。” 因此，没有拷贝构造函数被调用，因为我们没有创建一个新的A对象，只是创建了一个临时对象的引用

没有拷贝构造的调用
在这个过程中，临时对象是直接在需要的位置构造的，然后aa2被绑定到这个对象上。由于aa2是一个引用，它实际上并不拥有对象；它只是一个到临时对象的链接。因此，不需要调用拷贝构造函数来创建一个新的A对象，这个机制避免了不必要的拷贝，提高了效率

常量引用延长临时对象的生命周期
在C++中，将临时对象绑定到常量引用上的一个重要后果是，这个临时对象的生命周期会被延长，以匹配引用的生命周期。这意味着，尽管我们用一个整数字面量初始化了aa2，这个匿名的A对象将会持续存在直到aa2离开作用域。如果没有这个特性，临时对象将在表达式结束时立即被销毁，这将导致引用悬挂，引用一个已经不存在的对象

void f1(A aa){}int main(){f1(A(2));return 0;}

这里传了一个匿名对象，先调用构造函数，再调用拷贝构造函数

编译器优化，优化为构造函数

A f2(){A aa;return aa;}int main(){f2();return 0;}

f2应该有一个构造和一个拷贝构造

优化为构造函数

A f2(){A aa;return aa;}int main(){A aa2 = f2();return 0;}

如果不优化，f2（）会有一个构造和一个拷贝构造，最后，这个临时副本将会被用来初始化main函数中的A aa2，再次调用拷贝构造函数，则这里是连续的拷贝构造函数

编译器优化为构造函数

A f2(){A aa;return aa;}int main(){A aa1;aa1 = f2();return 0;}

一个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载，结果没有发生很大的优化

本节内容到此结束！感谢大家阅读！！！！