C++学习笔记(四)类和对象(上)

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参考:www.weixueyuan.net/cpp/rumen/

相对于C语言,C++语言主要是增添了面向对象的特性。类(Class)则是C++面向对象编程的实现方式。

我们可以把类理解为一种用户自定义的数据类型,类似于C语言里面的结构体(struct),在本章最后我们将对比类和结构体之间的异同。

1、类的定义与声明:

特别要注意的一点是,在类声明结束处右括号“}”后面右一个分号“;”,这个分号一定不能忘记,它是类声明的一部分。如果漏掉则会在程序编译不通过。(mine:应该是说声明也是有”;“号的)

声明了student数据类型之后,我们就可以用其定义变量了,如:

student LiLei;//创建对象

在这一条语句中就利用student数据类型声明了一个LiLei的变量,这和

int a;//定义整形变量

语句定义了一个整型变量表达的意思是类似的。而LiLei这个变量我们称之为student类的对象。

在用类定义对象的时候,一定要先给出类声明,这就好比用某种自定义数据类型来定义变量的时候,我们必须要先给出该数据类型的声明一样。由于C++里面本身集成一些常用数据类型,如int、bool、double等,所以在用这些数据类型声明变量时不需要再由我们自己给出类型声明了。

在定义类的对象时,class关键字可要可不要,如例2所示,但通常出于习惯我们通常都会省略掉class关键字。

定义类对象时,除了能定义单个变量以外,用类定义一个数组或者指针都是可行的。

[例3] 定义对象数组或指针:

student all_student[1000];
student * pointer;

在例3中,我们定义了一个all_student数组,该数据拥有1000个元素,每一个元素都是student类型。此外,我们定义了一个student类型的指针pointer,该指针可以指向student类型的变量,其用法跟普通指针是一样的。

2、类的成员变量和成员函数:

类是一种数据类型,该类型类似于普通的数据类型,但是又有别于普通的数据类型。类这种数据类型是一个包含成员变量和成员函数的一个集合。下面是student类的定义。

本例声明了类student,并且在student类中声明了四个成员变量:name、id_num、age和sex。这四个成员变量用于描述student特性。除此之外我们还在类中定声明了两个函数,set_age函数和get_age函数,这两个函数是student类的成员函数,这两个函数只给出了声明,未给出定义。

有两种方法可以给出成员函数的定义:

1)在类内部进行函数的声明和定义,此种方式我们成为inline,也即内联定义。inline是C++关键字,专门用于表示内联;(也可以内部声明成内联函数,外部定义)
2)在类内进行函数声明,在类外部进行函数定义。(mine:这样的话,一般是属于函数调用)

下面我们分别给出两种情况的示例。

[例2] 在类内部进行函数的声明和定义:

在本例中,两个成员函数均是在类声明内部进行声明和定义的,因此这两个函数是inline类型的。

内联函数可以通知编译器在编译阶段用成员函数set_age和get_age的函数体替换掉所有调用该函数的代码,这样替换后的代码将不会再出现对这个函数的调用的代码。通过直接的替换可以在一定程度上提高程序运行效率,通常只是用于一些简短函数。

[例3] 在类内部声明函数,在类外部定义函数:

本例中set_age函数和get_age函数在类声明内部仅有声明部分,而无定义部分,其函数体在类声明之外定义。本例中定义函数采用了域解析符 ::。

在类内声明函数,如果在函数声明时使用inline关键字,如例4所示,则可以将类内声明类外定义的函数强制转换为内联函数。

[例4] 强制转换为内联函数:

在例4中,student类中声明函数set_age和get_age时都使用了inline关键字,这就使得这两个函数也成为了内联函数,尽管它们是在类外进行定义函数体的。

3、类的信息隐藏机制

为了将类对象的内部实现与外部行为分离开来,C++语言为类提供了封装机制,与之相关的三个关键字分别是:private、protected和public,这三个关键字所代表的含义分别为私有、受保护和公用。三个关键字的作用就是限制类中声明的变量和函数在外部的访问权限。

C++的这一机制可以使得类对象的使用者只需要关心类是如何使用的,而不需要去关心类内部的实现问题。

访问权限需要分两部分说明:类内和类外。

1)在类内部,无论成员变量或成员函数被声明为private、public或者protected属性,均是可以互相访问的,无访问权限限制。)
2)在类外,通过对象无法访问private和protected属性的成员变量和成员函数,而仅可以访问public属性的成员变量和成员函数。

[例1] 定义一个 book 类来说明访问权限:

在例 1 中,声明了一个book类,该类中有一个成员变量price,表示书本的价格属性,另外有两个成员函数,分别是用于设置价格的setprice函数和获取书本价格的getprice函数。

类中成员变量price被设置成了private属性,而两个成员函数则设置成了public属性。声明为private属性的成员变量或函数,在类外是不可访问的,而声明为public属性的成员变量或函数,在类外可以访问。

另外还有一个关键字protected,声明为protected属性的成员变量或成员函数,在类外也是不可以访问的,但是其派生类(mine:相当于亲戚)内部确实可以访问的,这在后面将会重新介绍,在此处,我们只需要知道protected在类外无法访问即可。

回到例1,在主函数中,声明book的对象Alice,调用book类中的函数setprice为Alice这本书设置价格,其价格被设置为29.9元。之后再调用book类中的getprice函数,将其价格打印出来。

在例1中,我们不能直接访问price这个成员变量,因为其属性被设置为private了,但是类中提供了两个public属性的成员函数可以供我们操作price这个变量。

除了像例1那样声明book类以外,按照例2及例3那样声明变量也都是可以的,类内部成员变量及函数声明变量顺序可以是任意的(mine:就算是某个函数用到了某个成员变量,也可以在该成员变量声明之前定义???后面发现,果然,C++类定义的时候,什么顺序并没有啥关系)。


4、成员选择符

通过上一节的学习我们看到:通过对象可以访问public属性的成员变量或成员函数。访问可以通过成员选择符“.”或指针操作符“->”来完成。


本例继续沿用上节中的book类的定义,在主函数中定义了该类的一个对象Alice,该对象通过成员选择符调用类中的setprice和getprice函数。之后又定义了一个对象指针Harry,并且进行初始化,既然是指针,当然得采用指针操作符进行函数调用了,如例中所示,Harry指针同样访问了setprice和getprice两个函数。

需要注意的是无论是成员选择符“.”还是指针操作符“->”,在类外都只能访问类中定义的public属性的成员变量或成员函数。例如在例1中,我们写出Alice.price = 29.9或者Harry->price = 49.9这样的语句,编译都是无法通过的,其原因就是上一节所说的类的信息隐藏机制。

5、类class和结构体struct区别

C++语言继承了C语言的struct,并且加以扩充。在C语言中struct是只能定义数据成员,而不能定义成员函数的。而在C++中,struct类似于class,在其中既可以定义数据成员,又可以定义成员函数。

在C++中,struct与class基本是通用的,唯一不同的是如果使用class关键字,类中定义的成员变量或成员函数默认都是private属性的,而采用struct关键字,结构体中定义的成员变量或成员函数默认都是public属性的

在C++中,没有抛弃C语言中的struct关键字,其意义就在于给C语言程序开发人员有一个归属感,并且能让C++编译器兼容以前用C语言开发出来的项目。

在本例中,定义了一个名为book的struct,在其中定义有成员变量title和price,此外还声明了一个函数,该函数在struct内部声明,在结构体外部定义。

程序看到这里,不难发现,struct和class关键字在C++中其基本语法是完全一样的。接着,我们来看一下主函数。首先通过book结构体定义了一个对象Alice。通过成员选择符,Alice对象在接下来的三行代码中分别调用了book结构体中定义的变量及函数!

由此可见struct声明中,默认的属性为public属性,在struct外部可以随意访问。

再来看例2,例2程序相对于例1,只改动了一处:将struct关键字替换为class关键字。结果,在主函数中定义Alice对象之后,我们再企图通过Alice对象访问其内部的price、title变量及display函数,此时编译器便会提示编译错误,错误提示为这三者是不可访问的。

正如我们所预料的那样,确实class中定义的成员变量或成员函数,默认的属性是private。

在前面小节中,我们定义了如例3所示的一个名为book的类,而与其相等价的struct定义则可以如例4所示,如果我们显式的在struct中将setprice和getprice成员函数声明为public属性,这也是可以的,如例5所示。

6、通过引用来传递和返回类对象

类是C++语言面向对象编程的载体,我们也可以将类视为一种特殊的数据类型。在C++语言中,由类声明的对象,和其它类型声明的变量一样,同样可以通过传值、引用和指针的方式作为函数的参数或函数返回值。

通常来讲,除非是迫不得已,否则最好不要采用传值的方式传递和返回对象,这是因为采用传值的方式传递和返回对象的过程中需要经历对象间的拷贝操作,这样会在一定程度上降低程序运行的效率,从而使得待处理数据量增大,增加内存的使用。而采用引用或指针的方式则不会有这样的问题,而实际上,因为引用表达更加简练直观,因此也较少使用指针来传递对象或作为函数返回值。

[例1] 对象引用举例:

对象的引用和普通的变量引用基本语法是一样的。如例1所示,先定义了book类,之后定义了book类对象Alice,最后一句定义了Alice_reference是Alice对象的引用。

[例2] 通过引用的方式来传递和返回对象:


除了定义book类以外,我们还定义了两个函数,一个是display函数,其参数为book类对象的引用;另一个函数是init函数,其返回值是book类对象的引用。这两个函数前者是为了打印图书的书名及价格信息,后者则是为了初始化对象。

我们来看一下主函数,首先用book类定义了一个Alice对象,并且调用settitle和setprice函数分别设置Alice对象的相关成员变量,之后调用顶层函数display,打印Alice对象的相关信息。

在此之后,我们又定义了一个Harry对象,该对象直接调用顶层函数init来进行初始化,经过init函数内部初始化后,将对象的引用返回给Harry对象,最终同样调用display函数打印Harry对象的相关信息。

程序最终运行结果如下:

The price of Alice in Wonderland is $29.9
The price of Harry Potter is $49.9

这个例子向我们展示了通过引用的方式来传递和返回对象,需要注意的是函数返回一个对象的引用的时候,最好该对象不是局部变量或临时变量(如果是局部变量或临时变量,一旦该函数运行结束,该局部变量或临时变量很有可能会被系统销毁),如本例中init函数在定义b对象时前面加上了一个static关键字,将b对象声明为一个静态对象。

注意(mine):上面参数虽然是引用,但是实参却可以直接是某个变量,并且返回值虽然是某个引用的类型,但是内部返回值也可以是某个变量。

7、构造函数

构造函数是类中一种特殊的成员函数,其特殊之处有三点:

1)构造函数的函数名必须与类名相同(可以有多个构造函数);
2)构造函数无返回值;
3)当我们创建类对象的时候构造函数会被自动调用,而无需我们主动调用。

[例1] 构造函数举例:


本例中定义了一个book类,在该类中定义了两个private属性的成员变量price和title,定义的成员函数有6个,后面四个在前几节中已经介绍过了,两个函数book()和book(char * a, double p)即为需要介绍的构造函数。这两个函数无返回值,函数名与类名相同,这是构造函数最明显的特征。

构造函数与普通成员函数类似,可以在类内部定义,也可以在类外部定义。第一个没有参数的构造函数book(),其定义就在类内部;第二个构造函数book(char * a, double p)在类内部声明,类外部定义。

通常如果在定义类的时候,程序设计人员没有主动声明任何一个构造函数的时候,系统会自动生成一个默认构造函数,默认构造函数就是不带任何参数的构造函数。其它带参数的构造函数统称为带参构造函数。

如果在类中声明了任何一个构造函数,则系统不会自动生成默认构造函数。构造函数同样能够使用类中的成员变量。

构造函数的作用在本例中也可以很清楚的看出来。构造函数就是用于初始化对象的,并且负责处理对象创建时需要处理的其它事务,在创建对象时会被自动调用。

本例中的主函数中,先定义了一个Alice对象,该对象其实在创建的时候已经自动调用了默认的构造函数的。若我们在类定义的时候不定义默认构造函数,则book Alice;这一句创建对象的语句则会出现编译错误,因为我们创建了带参构造函数,故默认构造函数不会被自动创建,因此在用book Alice;语句创建对象的时候无相应的构造函数能够调用,因此会初始化对象出错。

在主函数中,当我们创建Harry对象时,其后还跟有一个括号,里面还有两个参数,这一句创建对象会自动调用book(char * a, double p)构造函数进行对象的初始化,初始化之后,Harry.price = 49.9,而Harry.title = “Harry Potter”,因此在调用Harry.display()函数的时候,能够打印出“The price of Harry Potter is $49.9”也是不足为奇的。

构造函数除了自身独有的三个特性以外,其它与普通成员函数类似,可以完成普通函数能完成的所有功能,如函数调用、条件判断、循环、赋值等,如下例所示。

总结:构造函数反正自己可以写,可以不写,不写则系统默认,写,若写有参的,则最好把无参的也写一下(否则用无参的创建对象时会出错)

8、参数初始化表

通过上一节,我们知道构造函数的主要用途就是初始化对象的,除了采用上节所讲述的那种在函数体中一一赋值的方法外,通过参数初始化表同样可以对对象进行初始化,请看下面的代码(例1):

如本例所示,本例在定义带参构造函数book(char *a, double p)时,不再是在函数体中一一赋值进行初始化,其函数体为空。在函数首部与函数体之间增添了一个冒并加上title(a),price(p)语句,这个语句的意思相当于函数体内部的 title = a; price = p; 语句。这样做对于两个成员变量的类来说看不出什么优势,但是一旦当成员变量非常多的时候,通过参数初始化列表进行初始化其优势便可以显现出来了,如此写法简洁明了。

参数初始化表还有一个很重要的作用,那就是为const成员变量初始化。

[例2] 不能在函数体内部初始化 const 变量:

在本例中Array类声明了两个成员变量,length和num指针,需要注意的是length加了const关键字修饰。此时默认构造函数再为length赋值为0,这是无法通过编译的。

初始化const成员变量的唯一方法只有利用参数初始化表。

[例3] 通过参数初始化表初始化 const 变量:

如例3所示,利用参数初始化表为const成员变量进行初始化。参数初始化表可以为任何数据成员进行初始化,如下所示,参数初始化表同样可以为num初始化。


使用参数初始化表还需要注意的是,参数初始化顺序与初始化表列出表量的顺序无关,参数初始化顺序只与成员变量在类中声明的顺序有关。

9、使用默认参数的构造函数

我们可以想象一个这样的场景:某一天书店整理库存,发现了一些非常老的书,为了尽快清空库存,店主想了一下,决定开展一个大甩卖活动,所有的这些书全部以五美元的价格出售。此时如果需要尽快将这些书的信息录入到书店的书单中,为了方便,我们可以在book类中添加一个带默认参数的构造函数。

[例1] 默认带参构造函数示例:

在本例中,book类中的带参构造函数 book(char* a, double p = 5.0); 将价格设置为5.0,如此一来p就被设置成为一个默认参数,如果在创建对象的时候,没有传递实参给该参数p,则该参数会被默认设置为5.0。

在例1的主函数中我们可以看到Harry对象创建时传递了两个实参"Harry potter"和49.9,而Gone 对象则只是传递了一个实参"Gone with the Wind"用于初始化title,此时price就会被用默认参数初始化为5.0。

程序运行结果如下:

The price of Harry Potter is $49.9

The price of Gone with the Wind is $5.0

需要说明的是带默认参数的构造函数,其默认参数必须置于参数列表的结尾。如果例1中带参构造函数 book(char* a, double p = 5.0); 被声明成 book(double p = 5.0, char* a); 则是无法通过编译的,因为默认参数不在参数列表的结尾。

虽然带参数的构造函数会给我们初始化带来一定便利,但糟糕的是它也会给构造函数的调用带来歧义。

[例2] 默认带参构造函数所带来的歧义:

在本例中有三个构造函数,一个是默认构造函数,两个带参构造函数,其中一个为带有默认参数的构造函数。

在主函数中,通过book类创建Harry对象没有问题,此时创建对象只能调用book(char* a, double p = 5.0);构造函数。创建Gone对象时则有问题了,此时我们创建对象有两个与之匹配的构造函数可以调用,分别是book(char *a);和book(char* a, double p = 5.0);,此时该调用哪一个呢?无法得知,编译器只能报错了。

出现这种情况我们只能极力去避免了,通常而言,在设计类的构造函数的时候最好不要同时是用构造函数的重载和带参数的构造函数,以避免上述问题。

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