C++语言第三章 类和对象（中）

上一篇文章中，我们介绍了C++中有关类和对象的基础语法以及使用，本文来介绍C++中类和对象中的六个默认成员函数。默认成员函数就是用户没有显式实现，编译器会自动生成的成员函数称为默认成员函数。一个类，在不写的情况下编译器会默认生成以下6个默认成员函数

在介绍这些默认成员函数时，需要着重关注以下两点：
• 第一：我们不写时，编译器默认生成的函数行为是什么，是否满足我们的需求。
• 第二：编译器默认生成的函数不满足我们的需求，我们需要自己实现，那么如何自己实现？

3.1构造函数

构造函数是特殊的默认成员函数，它的主要任务是在对象实例化的过程中，对对象中的成员变量进行初始化。它的本质是为了替代上一篇文章中日期类中的Init()函数，且在实例化时会自动进行调用。
构造函数有以下7个特点：
1.函数名与类名相同。
2.无返回值。 （返回值啥都不需要给，也不需要写void，C++规定如此)
3.对象实例化时系统会自动调用对应的构造函数。
4.构造函数可以重载。
知晓了上面4点之后，可以尝试着写一个简单的构造函数

#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
//1.无参构造函数
Date()
{
_year = 1;
_month = 1;
_day = 1;
}
//2.带参构造函数
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print()
{
printf("%d-%d-%d\n", _year, _month, _day);
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1;
d1.Print();
Date d2(2024, 7, 10);
d2.Print();
return 0;
}

需要说明的是，如果想要调用无参构造函数，在创建对象时不需要加括号，原因是加上之后它会和函数声明的语法混淆，无法区分。而在调用带参构造函数时，在创建对象后面加上括号，并给出相应实参，就可以实现调用了。类中根据不同需求写了两个构造函数，也实现了函数重载。
5.无参构造函数、全缺省构造函数、我们不写构造时编译器默认生成的构造函数，都叫做默认构造函数。但是这三个函数有且只有一个存在，不能同时存在。无参构造函数和全缺省构造函数虽然构成函数重载，但是调用时会存在歧义。总结一下就是不传实参就可以调用的构造就叫默认构造。
下面的代码有两个默认构造函数，调用时会存在歧义

#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
//1.无参构造函数
Date()
{
_year = 1;
_month = 1;
_day = 1;
}
//2.带参构造函数
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
//3.全缺省构造函数
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print()
{
printf("%d-%d-%d\n", _year, _month, _day);
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1;
d1.Print();
Date d2(2024, 7, 12);
d2.Print();
return 0;
}

运行结果

6.如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。
7.编译器默认生成的构造函数，对内置类型成员变量的初始化没有要求，也就是说是否初始化是不确定的，取决于编译器。对于自定义类型成员变量，要求调用这个成员变量的默认构造函数初始化。如果该成员变量没有默认构造函数，就会报错，要手动对该成员初始化，这里需要用到初始化列表，在后续的文章里会介绍。
下面的代码中，简单的定义了一个栈类，并写出了它的构造函数

class Stack
{
public:
Stack(int n = 4)
{
_arr = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
if (_arr == nullptr)
{
perror("malloc:failed");
return;
}
_capacity = 0;
_top = n;
}
private:
STDataType* _arr;
int _top;
int _capacity;
};

如果想要用两个栈去实现一个队列，那么该队列类的定义如下

class MyQueue
{
public:
private:
Stack pushst;
Stack popst;
};

可以看到，它不需要实现自己的构造函数，因为在调用时，对于自定义类型，编译器会去调用它的默认构造函数，这里简单的可以体会到C++相较C语言简单方便的地方了。

3.2析构函数

析构函数与构造函数的功能相反，析构函数不是完成对对象本身的销毁，比如局部对象是存在栈帧的，函数结束栈帧销毁，它就释放了，不需要我们管，C++规定对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理释放工作。析构函数的功能类比之前Stack实现的Destroy功能，而像Date没有Destroy，其实就是没有资源需要释放，所以严格说Date是不需要析构函数的。
析构函数有以下8个特点：
1.析构函数名是在类名前加上字符~。
2.无参数无返回值。(这里跟构造类似，也不需要加void)
3.一个类只能有一个析构函数。若未显式定义，系统会自动生成默认的析构函数。
4.对象生命周期结束时，系统会自动调用析构函数。
知道了这些语法规则，针对上面的栈类，现在我们可以去将它的析构函数实现出来，如下

class Stack
{
public:
Stack(int n = 4)
{
_arr = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
if (_arr == nullptr)
{
perror("malloc:failed");
return;
}
_capacity = 0;
_top = n;
}
~Stack()  //栈的析构函数
{
free(_arr);
_arr = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
private:
STDataType* _arr;
int _top;
int _capacity;
};

5.跟构造函数类似，如果不写，编译器自动生成的析构函数对内置类型成员不做处理，自定义类型成员会调用他的析构函数。

class MyQueue
{
public:
private:
Stack pushst;
Stack popst;
};

上面的MyQueue类，是用两个Stack去实现，由于它会自动的调用Stack的析构函数，所以MyQueue类的析构函数并不需要去手动实现，在程序结束时，并不会出现内存泄漏的现象，这也是C++便利的地方。

通过监视窗口可以发现，程序结束时，确实自动的调用了Stack的析构函数。
7.如果类中没有申请资源时，析构函数可以不写，直接使用编译器生成的默认析构函数，如果默认生成的析构函数就可以用，也就不需要显示的写析构函数，但是有资源申请时，一定要自己写析构函数，否则会造成资源泄漏。
8.一个局部域的多个对象，C++规定后定义的先析构。
由于函数在被调用时，都会开辟一块属于自己的函数栈帧，在函数栈帧中去执行每一条指令。由于函数栈帧的性质与数据结构的栈非常类似，都有“后进先出”的特点，所以在析构时也遵循这一点，即后定义的先析构。

3.3拷贝构造函数

如果一个构造函数的第一个参数是自身类类型的引用，且任何额外的参数都有默认值，则此构造函数也叫做拷贝构造函数，也就是说拷贝构造是一个特殊的构造函数。拷贝构造函数的作用，其实就是完成一个类类型的复制拷贝功能。拷贝构造函数有以下6个特点：
1.拷贝构造函数是构造函数的一个重载。
2.拷贝构造函数的只有一个参数，且该参数必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发无穷递归调用。
3.C++规定自定义类型对象进行拷贝行为必须调用拷贝构造，所以这里自定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成。
知道了以上三个特点，我们可以先写一个简单的拷贝构造函数，之后再解释其它的特点。根据语法要求，拷贝构造函数名字与类类型要相同，且第一个位置参数必须为类类型对象的引用。既然使用了引用，可以把const关键字也加上，因为在一般情况下，我们是不希望参数被改变的。下面为代码实现：

Date(const Date& d)
{
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}

对于第二点和第三点，两者之间是有关联的。由于第三点的规定，类类型传值传参必须调用拷贝构造函数，那么调用拷贝构造函数时，由于传值传参，又要调用拷贝构造函数，这样就形成了无穷递归的情况，结合下图可以较好的理解

4.若未显式定义拷贝构造，编译器会生成自动生成拷贝构造函数。自动生成的拷贝构造对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(⼀个字节⼀个字节的拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造。
根据这个特点来看，对于之前实现的日期类而言，其实不太需要去手动实现。因为编译器自动生成的拷贝构造函数已经能够实现我们的需求了。但所有的类都不需要自己手动实现吗？下面来看这段代码，定义了一个简单的栈类，来尝试运行一下

#include <iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:
Stack(int n = 4)
{
_arr = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
if (_arr == nullptr)
{
perror("malloc:failed");
return;
}
_capacity = 0;
_top = n;
}
~Stack()
{
free(_arr);
_arr = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
private:
STDataType* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
int main()
{
Stack s1(8);
Stack s2(s1);
return 0;
}

运行之后，会发现程序直接崩溃了，这是为什么呢？

可以通过对主函数打断点的方式，对代码进行调试。进入调试页面后，不难发现，两个栈类型中的数组指针指向了同一个地址。由于系统生成的拷贝构造函数只完成简单的值拷贝，所以在拷贝指针变量时，它仅仅是将该指针变量指向的地址进行了赋值。这其实并不符合我们的需求，我们想要的是将该指针变量指向的资源全部拷贝到另一块空间中。

继续调试下去后，会发现，程序崩溃的原因是因为同一块空间调用了两次析构函数。因为在函数调用结束时，类类型的对象会自动调用析构函数，由于两个对象中的指针都指向了同一块空间，析构时相当于对同一块空间进行了两次析构导致程序最终崩溃了。所以对于栈类型，我们需要手动实现它的拷贝构造函数。下面的代码进行了拷贝构造函数的实现，可供参考

Stack(const Stack& s1)
{
_arr = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * s1._capacity);
if (_arr == nullptr)
{
perror("malloc:failed");
return;
}
memcpy(_arr, s1._arr, s1._capacity);
_top = s1._top;
_capacity = s1._capacity;
}

5.像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的拷贝构造就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显示实现拷贝构造。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器自动生成的拷贝构造完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝(对指向的资源也进行拷贝)。像MyQueue这样的类型内部主要是自定义类型Stack成员，编译器自动生成的拷贝构造会调用Stack的拷贝构造，也不需要我们显示实现MyQueue的拷贝构造。
下面的代码为MyQueue类的实现，由于它的成员变量都是自定义类型，对于自定义类型，系统会自动调用它本身的默认成员函数，所以都不需要手动实现

class MyQueue
{
public:
private:
Stack pushst;
Stack popst;
};

6.传值返回会产生一个临时对象调用拷贝构造，传值引用返回，返回的是返回对象的别名(引用)，没有产生拷贝。但是如果返回对象是⼀个当前函数局部域的局部对象，函数结束就销毁了，那么使用引用返回是有问题的，这时的引用相当于一个野引用，类似一个野指针一样。传引用返回可以减少拷贝，但是一定要确保返回对象，在当前函数结束后还在，才能用引用返回。
以上就是有关拷贝构造函数的全部内容了。根据这些特点，可以总结出一个规律：如果一个类显示实现了析构并释放资源，那么他就需要显示写拷贝构造函数，否则就不需要。

3.4运算符重载

C++中允许我们实现对运算符的重载，它的本意是允许我们对于自己定义的类类型重载属于该类类型的运算符，允许对于类类型定义它自己的运算方式。

3.4.1普通运算符重载

普通运算符重载，其实可以把它理解为函数，该函数的目的是用已存在的运算符定义属于特定类的运算符。对于普通的运算符重载，有以下的这些特点：
1.当运算符被用于类类型的对象时，C++语言允许我们通过运算符重载的形式指定新的含义。C++规定类类型对象使用运算符时，必须转换成调用对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错。
2.运算符重载是具有特名字的函数，他的名字是由operator和后面要定义的运算符共同构成。和其他函数一样，它也具有其返回类型和参数列表以及函数体。
对于日期类，我们可以将==运算符重载为判断两个日期是否相等，及日期加上天数后的结果，知道了上述特点后，下面可以给出运算符重载函数的声明

bool operator==(const Date& d1, const Date& d2);
Date& operator+=(const Date& d1, const Date& d2);

3.重载运算符函数的参数个数和该运算符作用的运算对象数量一样多。一元运算符有一个参数，二元运算符有两个参数，二元运算符的左侧运算对象传给第一个参数，右侧运算对象传给第二个参数。
4.运算符重载以后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持一致。
知道了这两个特点，可以实现一下两个日期类是否相等的运算符重载函数，实现的代码如下，可供参考

bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
{
return d1._year == d1._year 
    && d1._month == d2._month 
    && d1._day == d2._day;
}

之后在主函数中来测试一下它的逻辑内容。在主函数中调用该运算符重载函数有两种写法，这两种写法都可以，取决于读者的喜好

int main()
{
Date d1(2024, 7, 16);
Date d2 = d1;
d1.Print();
d2.Print();
printf("%d\n", operator==(d1, d2));
printf("%d\n", d1 == d2);
return 0;
}

运行结果

5.如果一个重载运算符函数是成员函数，则它的第一个运算对象默认传给隐式的this指针，因此运算符重载作为成员函数时，参数比运算对象少一个。
6.不能通过连接语法中没有的符号来创建新的操作符：比如operator@。而对于以下5个运算符，无法进行重载：.* :: sizeof ?: . 。
7.重载操作符至少有一个类类型参数，不能通过运算符重载改变内置类型对象的含义，如： int operator+(int x, int y)
8.一个类需要重载哪些运算符，是看哪些运算符重载后有意义，比如Date类重载operator-就有意义，但是重载operator+就没有意义。
上面的代码虽然完成了运算符的重载，但这能运行出正确结果有个前提，就是我把类中的成员变量改成了公有的，如果成员变量为私有，在类外面就无法进行访问。但为了保证安全，又不能因为一个运算符重载，而影响到类的成员访问。这里其实有一些解决办法，本人这里只介绍最推荐的一种：将运算符重载函数当作成员函数放入类中。
这么做写法需要改变一下，根据上文的第5点，第一个参数为默认的this指针，所以传变量时只用传一个类对象即可，因为另一个类对象已经通过this指针隐式的将参数传入函数中，下面给出代码实现

//版本1，如果看着不舒服可以使用版本2
bool operator==(const Date& d)
{
return _year == d._year 
    && _month == d._month 
    && _day == d._day;
}
//版本2，在函数体中显示的写this指针，这样代码逻辑更加清晰
bool operator==(const Date& d)
{
return this->_year == d._year 
    && this->_month == d._month 
    && this->_day == d._day;
}

当然，在主函数中想要调用时，也需要改变一下写法，运行结果截图这里就不放出了，读者可以将代码拿到自己的IDE上进行调试运行

int main()
{

Date d1(2024, 7, 16);
Date d2 = d1;
d1.Print();
d2.Print();
printf("%d\n", d1.operator==(d2));
printf("%d\n", d1 == d2);
return 0;
}

9.重载++运算符时，有前置++和后置++，运算符重载函数名都是operator++，无法很好的区分。C++规定，后置++重载时，增加⼀个int形参，跟前置++构成函数重载，方便区分。
看下面的代码，关于日期类重载前置++，–和后置++，–的函数声明如下，区别就是有没有加上int形参

Date operator++(int);  //d1++
Date& operator++();  //++d1
Date operator--(int);  //d1--
Date& operator--();  //--d1

10.重载<<和>>时，需要重载为全局函数，因为重载为成员函数，this指针默认抢占了第一个形参位置，第一个形参位置是左侧运算对象调用时就变成了对象<<cout，不符合使用习惯和可读性。重载为全局函数把ostream/istream放到第一个形参位置就可以了，第二个形参位置当类类型对象。

3.4.2赋值运算符重载

赋值运算符重载是一个默认成员函数，用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，这里要注意跟拷贝构造区分，拷贝构造用于一个对象拷贝初始化给另一个要创建的对象。

Date d1(2024, 7, 18);
Date d2(d1);  //拷贝构造
d1 = d2;  //赋值运算符重载

赋值运算符重载有以下4个特点：
1.赋值运算符重载是一个运算符重载，规定必须重载为成员函数。赋值运算重载的参数建议写成const当前类类型引用，否则会传值传参会有拷贝。
2.有返回值，且建议写成当前类类型引用，引用返回可以提高效率，有返回值目的是为了支持连续赋值场景。
对于日期类，下面也可以简单的实现一个赋值运算符重载，代码如下：

Date& operator=(const Date& d)
{
if (*this != d)
{
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
return *this;
}

3.没有显式实现时，编译器会自动生成一个默认赋值运算符重载，默认赋值运算符重载行为跟默认构造函数类似，对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(⼀个字节⼀个字节的拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造。
4. 像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的赋值运算符重载就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显示实现赋值运算符重载。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器自动生成的赋值运算符重载完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝(对指向的资源也进行拷贝)。像MyQueue这样的类型内部主要是自定义类型Stack成员，编译器自动生成的赋值运算符重载会调用Stack的赋值运算符重载，
也不需要我们显示实现MyQueue的赋值运算符重载。这里还有一个小技巧，如果一个类显示实现了析构并释放资源，那么他就需要显示写赋值运算符重载，否则就不需要手动实现。
赋值运算符的这两个特点，与拷贝构造函数的特点相似，这里就不再过多的进行解释了，读者可以参考拷贝构造函数的特点来理解最后这两个特点。

3.5const成员函数

类中的成员函数也是可以使用const进行修饰的，效果是this指针指向的对象无法进行任何的修改，如果不想让传入参数改变，就可以使用const修饰。
1.将const修饰的成员函数称之为const成员函数，const修饰成员函数放到成员函数参数列表的后面。
2.const实际修饰该成员函数隐含的this指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。例如const修饰Date类的Print成员函数，Print隐含的this指针由 Date* const this 变为 const Date* const this。
代码实现如下，只需在函数后面加上关键字const即可，这样做可以将传入的对象完全的保护起来

bool operator<(const Date& d) const;
bool operator<=(const Date& d) const;
bool operator>(const Date& d) const;
bool operator>=(const Date& d) const;

3.6取地址运算符重载

取地址运算符重载分为普通取地址运算符重载和const取地址运算符重载，⼀般这两个函数编译器自动生成的就可以实现大部分需求了，不需要去显示实现。除非一些很特殊的场景，例如，当我们不想让别人取到当前类对象的地址，就可以自己实现这两类函数，返回错误的地址。
如果需要手动实现，手动实现的代码如下，在两种取地址运算符重载都实现的情况下，编译器会自动调用更加匹配的。const对象就调用const版本的重载函数，普通对象就调用普通对象的重载函数

class Date
{
public:
Date* operator&()
{
//如果想返回错误的地址，就可以直接返回空指针
return this;
// return nullptr;
}
const Date * operator&()const
{
//如果想返回错误的地址，就可以直接返回空指针
return this;
 // return nullptr;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day; 
};

总结一下，本文总共介绍了C++中有关类和对象的六个默认成员函数，在了解了这些默认成员函数之后，我们需要知道的是编译器自动生成的这些函数能否达成想要的需求，如果不能，该如何手动实现。

原文地址：https://blog.csdn.net/Nightmare1000/article/details/140379777

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