C++面向對象程序設計_Part1

時間 2019-12-12

原文原文鏈接

C++筆記主要參考侯捷老師的課程，這是一份是C++面向對象編程（Object Oriented Programming）的part1部分，這一部分講述的是以良好的習慣構造C++類，基於對象（object based）講述了兩個c++類的經典實例——complex類和string類。看這份筆記須要有c++和c語言的基礎，有一些很基礎的不會解釋。c++

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C++歷史

談到c++，課程首先過了一遍歷史，c++是創建在c語言之上，最先期叫c++ with class，後來在1983年正式命名爲c++，在1998年，c++98標誌c++1.0誕生，c++03是c++的一次科技報告，加了一些新東西，c++11加入了更多新的東西，標誌着c++2.0的誕生，而後後面接着出現c++14，c++17，到如今的c++20。編程

C++的組成

C++ 與 C 的數據和函數區別

在c語言中，數據和函數是分開的，構造出的都是一個變量，函數經過變量進行操做，而在c++中，生成的是對象，數據和函數都包在對象中，數據和函數都是對象的成員，這是說得通，一個對象所具備的屬性和數據應該放在一塊，而不是分開，而且C++類一般都是經過暴露接口隱藏數據的形式，讓使用者能夠調用，更加安全與便捷。設計模式

下圖爲part1兩個類的數據和函數分佈，能夠看看：數組

基於對象與面向對象的區別

基於對象（Object Based）：面對的是單一class的設計安全

面向對象（Object Oriented）：面對的是多重classes 的設計，classes 和classes 之間的關係。markdown

顯然，要寫好面向對象的程序，先基於對象寫出單個class是比不可少的。cookie

C++類的兩個經典分類

一個是沒有指針的類，好比將要寫的complex類，只有實部和虛部，另外一個就是帶有指針的類，好比將要寫的另外一個類string，數據內部只有一個指針，採用動態分配內存，該指針就指向動態分配的內存。

頭文件防衛式聲明

從這開始介紹complex類，首先是防衛式聲明，與c語言同樣，防止頭文件重複包含，上面是經典寫法，還有一個# pragma once的寫法，二者的區別能夠參考這篇博客。

頭文件的佈局

首先是防衛式聲明，而後是前置聲明（聲明要構建的類，這個例子中還有友元函數），類聲明中主要寫出這個類的成員數據以及成員函數，類定義部分則是將類聲明中的成員函數進行實現。

類的聲明

這裏的complex類是侯捷老師從c++標準庫中截取的一段代碼，足夠說明問題，complex類主體分爲public和private兩部分，public放置的是類的初始化，以及複數實虛部訪問和運算操做等等。private中主要防止類的數據，目的就是要隱藏數據，只暴露public中的接口，private中有double類型的實虛部，以及一個友元函數，這個友元函數實現的是複數的相加，將用於public中的+=操做符重載中，在public中，有四個函數，第一個是構造函數，目的是初始化複數，實虛部默認值爲0，當傳入實虛部時，後面的列表初始化會對private中的數據進行初始化，很是推薦使用列表初始化數據。第二個是重載複數的+=操做符，應該系統內部沒有定義複數運算操做符，因此須要本身重載定義。第三個和第四個是分別訪問複數的實部和虛部，能夠看到在第一個大括號前面有一個const，這個緣由將在後面講述（加粗提醒本身），只要不改變成員數據的函數，都須要加上const，這是規範寫法。

類模板簡介

因爲咱們不光是想建立double類型的複數，還想建立int類型的複數，愚蠢的想法是在實現一遍int類的complex，這時候類模板派出用場了，模板是一個很大的話題，侯捷老師有一個專門課程講模板，筆記也會更新到那裏。模板能夠只寫一份模板代碼，須要生成不一樣類型的class，編譯器會自動生成，具體作法是在類定義最上方加入template ，而後講全部的double都換成T便可，在初始化的時候，在類的後面使用尖括號，尖括號中放入你想要生成的類型便可。

內聯（inline）函數

內聯函數和普通函數的區別在於：當編譯器處理調用內聯函數的語句時，不會將該語句編譯成函數調用的指令，而是直接將整個函數體的代碼插人調用語句處，就像整個函數體在調用處被重寫了一遍同樣。是一種空間換取時間的作法，當函數的行數只有幾行的時候，應該將函數設置爲內聯，提升程序總體的運行效率。更加詳細的說明能夠參考這篇文章. （補充：在類的內部實現的函數編譯器會自動變爲inline，好像如今新的編譯器能夠自動對函數進行inline，無需加inline，即便加了編譯器也未必真的會把函數變爲inline，看編譯器的判斷)

訪問級別

這裏上面說過，private內部的函數和成員變量是不能被對象調用的，能夠經過public提供的接口對數據進行訪問。

函數重載

c++中容許「函數名」相同，但函數參數須要不一樣（參數後面修飾函數的const也算是參數的一部分），這樣能夠知足不一樣類型參數的應用。上述中就有不一樣的real，沒必要擔憂它們名字相同而反正調用混亂，相同函數名和不一樣參數，編譯器編譯後的實際名稱會不同，實際調用名並不同，因此在開始的函數名打了引號。另外，寫相同函數名仍是要注意一下，好比上面有兩個構造函數，當使用complex c1初始化對象時，編譯器不知道調用哪個構造函數，由於兩個構造函數均可以不用參數，這就發生衝突了，第二個構造函數是不須要的。

構造函數的位置

通常狀況下，構造函數都放在public裏面，否則外界沒法初始化對象，不過也有例外的，有一種單例設計模式，就將構造函數放入在private裏面，經過public靜態（static）函數進行生成對象，這個類只能建立一份對象，因此叫單例設計模式

參數傳遞

參數傳遞分爲兩種：pass-by-value和pass-by-reference

一條很是考驗你是否受過良好c++訓練就是看你是否是用pass-by-reference。傳值會分配局部變量，而後將傳入的值拷貝到變量中，這既要花費時間又要花費內存，傳引用就是傳指針，4個字節，要快好多，若是擔憂傳入的值被改變，在引用前加const，若是函數試圖改變，就會報錯。

返回值傳遞

與參數傳遞同樣，返回值傳引用速度也會很快，但有一點是不能傳引用的，若是你想返回的是函數內的局部變量，傳引用後，函數所分配的內存清空，引用所指的局部變量也清空了，空指針出現了，這就很危險了。（引用本質上就是指針，主要用在參數傳遞和返回值傳遞）

友元

友元函數是類的朋友，被設定爲友元的函數能夠訪問朋友的私有成員，這個函數（do assignment plus）用來作複數加法的具體實現。第一個參數是複數的指針，這個會在this一節中進行說明。

另外還有一種狀況頗有意思，以下圖所示，複數c2能夠訪問c1的數據，這個也是能夠的，這可能讓人感到奇怪，侯捷老師說了緣由：相同類的各個對象互為友元。因此能夠c2能夠訪問c1的數據。

操做符重載（一），this， cout

上面介紹的__doapl函數將在操做符重載中進行調用，能夠看到第一個參數是this，對於成員函數來講，都有一個隱藏參數，那就是this，this是一個指針，指向調用這個函數的對象，而操做符重載必定是做用在左邊的對象，因此+=的操做符做用在c2上，因此this指向的是c2這個對象，而後在__doapl函數中修改this指向c2的值。

另外，還記得上面說過<<運算符重載嘛，它做用的不是複數，而是ostream，這是處於使用者習慣的考量，做用複數的話將造成complex<<cout的用法，這樣很不習慣，用於ostream就跟日常使用的cout同樣，另外，下面這個函數返回的引用，那麼就能夠構成cout << c2 << c1這種連串打印的程序（與日常的習慣，cout << c2返回的依然是cout的引用，又能夠調用<<重載函數，若是不是引用，則會報錯，侯捷老師講到這，真感受標準庫的設計真是厲害。另外，每次向os傳入值打印時，os的狀態會發生改變，因此os不能加const。上面複數的加法因爲返回的是引用，也能夠構成c3 += c2 += c1這樣的程序。

操做符重載（二）非成員函數，無this，臨時對象

因爲使用者可能有多種複數的加法，因此要設計不一樣的函數知足使用者的要求，因爲帶有其餘類型的參數，因此沒有放入complex類中，放在外面定義，這裏的有一個很是有趣的使用，返回的直接是complex（ xx， xx），沒見過呢，這個語法是建立一個臨時對象，這個臨時對象在下一行就消亡了，不過不要緊，咱們已經把臨時對象的值傳到返回值了。因爲是臨時對象，因此返回值不能是引用，必須是值。

好了，complex的相關細節寫得差很少，有些沒寫，上面都提到了，還有些操做符重載，與加法相似，不重複寫了。具體參考complex.h，下面進入string類的實現。

Big Three ---string class begin

與complex同樣，string類的整個實現分佈如上圖，右邊的是測試的程序。

下面來看看string的縮小版實現：

因爲字符串不像複數那樣固定大小，而是可大可小，因此在實現string類的時候，私有數據是一個指針，指向動態分配的char數組，這樣就能夠實現相似動態字符串大小。這個小章節叫big three，這裏的big three分別是，拷貝構造（String(const String & str) )，拷貝賦值（String& operator=(const String& str))，以及析構函數（ ~String()) 。爲何要有big three，這個立刻就會介紹。

構造函數與析構函數

在構造函數中，若是沒有傳入字符串，則string申請動態分配一個char[1], 指向的就是'\0'，也就是空字符，若是傳入的是「hello」, 則動態分配「hello」的長度再加一(一表明結束標識符'\0')，都是用string內部的指針指向動態分佈的內存的頭部。爲何多了一個析構函數呢？在complex類爲啥沒有呢？這是由於complex中沒有進行動態分配內存，在複數死亡後，它所佔用的內存所有釋放，徹底ok，但string類動態分配了內存，這分內存在對象的外部，不釋放內存的話，在對象死亡後依然存在，這就形成內存泄漏，因此須要構建一個析構函數，在對象死亡釋放動態分配的內存。動態分配使用的時new命令，返回的是分配出來的內存的首地址，釋放動態分配內存使用delete命令，若是分配的是數組對象，則須要在delete後加上[]，若是是單個，直接delete指向的指針便可。上面就有兩種狀況的實例。

拷貝構造與拷貝賦值

complex類其實內部存在c++語言自身提供的拷貝構造和拷貝賦值，不須要本身寫，由於沒有指針的類的數據賦值無非就是值傳遞，沒有變化。但string類不同，上面的圖是很好的例子，由於使用的是動態分配內存，對象a和對象b都指向外面的一塊內存，若是直接使用默認的拷貝構造或者拷貝賦值（例如將b = a），則是將b的指針指向a所指的區域，也就是a的動態分配內存的首地址，原來b所指向的內存就懸空了，因而發生內存泄漏，並且兩個指針指向同一塊內存，也是一個危險行爲。因此帶有指針的類是不能使用默認的拷貝構造和拷貝賦值的，須要本身寫。下面看看怎麼寫的。

首先是拷貝構造，因爲是構造函數一種，跟以前的構造函數同樣，須要分配一塊內存，大小爲要拷貝的string的長度+1，而後使用C語言自帶的strcpy進行逐個賦值。

上面這個拷貝賦值，首先檢查是否是自我賦值，只要有這種狀況發生，就要考慮，自我賦值則直接返回this所指的對象就能夠了，若是不是自我賦值，則刪除分配的內存，從新分配內存，長度爲傳入字符串的長度+1，同理使用strcpy函數進行逐個賦值。

自我賦值的檢查很重要，沒有自我檢查，就會發生上面的狀況，一運行程序的第一句話，內存就釋放了，指針就又懸空了，不肯定行爲產生。

string剩餘一點放到這裏面，打印直接調用get_c_str成員函數就能夠，返回指針，os會遍歷它所指向的內存，打印出字符串，遇到'\0'終止。

生命期——堆，棧，靜態，全局

c1 即是所謂stack object，其生命在做用域(scope) 結束之際結束。這種做用域內的object，又稱爲auto object，由於它會被「自動」清理。p所指的即是heap object，其生命在它被deleted 之際結束，因此要在指針生命結束以前對堆內存進行釋放。

上面的c2和c3分別是靜態對象和全局對象，做用域爲整個程序。如下是它們四個的內存分佈，更具體的細節能夠參考這篇文章。

重探new與delete

能夠到使用new命令動態分配內存，主要有如下三步，首先分配要構建對象的內存，返回的是一個空指針，而後對空指針進行轉型，轉成要生成對象類型初始化給指針，而後指針調用構造函數初始化對象。

能夠看到delete操做能夠分爲兩步，首先經過析構函數釋放分配的內存，而後經過操做符delete（內部調用free函數）釋放對象內存。

探究動態分配過程的內存塊

上圖中就是vc建立complex類以及string類的內存塊圖，左邊兩個是complex類，長的那個是調試（debug）模式下的內存塊分佈，短的那個是執行（release）模式下的內存塊分佈，複數有兩個double，因此內存佔用8個字節，vc調試模式下，調試的信息部份內存佔用是上面灰色塊的32個字節以及下面灰色塊的4個字節，紅色的表明內存塊的頭和尾（叫cookie），佔用八個字節，合在一塊兒是52個字節，vc會以16個字節對齊，因此會填充12字節，對應的是pad的部分，另外，爲了凸顯這是分配出去的內存，因此在頭尾部分，用最後一位爲1表明該內存分配出去了，爲0就是收回來了。執行模式下沒有調試信息。string類相似分析。