C++_类和对象（中）

【本节目标】

• 类的6个默认成员函数
• 构造函数
• 析构函数
• 拷贝构造函数
• 赋值运算符重载
• const成员函数
• 取地址及const取地址操作符重载

1. 类的6个默认成员函数

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。

空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成以下6个默认成员函数。

默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

class Date {};

注：在类里面的成员函数中可以调用自身的私有成员，即便是传入了同自定义类型的对象，对象也可以调用自身的私有成员。

2. 构造函数

2.1 概念

对于Date类，可以通过 Init 公有方法给对象设置日期，但如果每次创建对象时都调用该方法设置信息，未免有点麻烦，那能否在对象创建时，就将信息设置进去呢？

构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同,创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有 一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次。

易于混淆地方： 构造函数在绝大部分情况下必须写在public权限。

解释： 如果我们没写构造函数，则类会调用默认构造函数，但此时又因为我们写了构造函数，但又处在private权限下，导致编译器不会调用默认且又调用不到显示构造函数。

2.2 特性

1. 函数名与类名相同。
2. 无返回值。
3. 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。
4. 构造函数可以重载。

案例演示：

输出结果：

注意： 在 C++ 中，调用无参构造函数不能写成 date d1() 形式，因为此写法与函数声明语法完全一致，编译器无法区分是调用无参构造函数创建对象，还是声明一个无参且返回 date 类型的函数，存在严重的语法歧义。

重点： 构造函数重载时，勿同时使用完全无参和完全缺省参数的构造函数，否则调用时会产生歧义。

5. 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。

案例演示：

输出结果：

我们可以在成员声明的时候写上缺省参数，这样即可在无构造函数的情况下，也能做到初始化。

案例演示：

输出结果：

编译器生成默认构造函数的特点：

1. 我们不写构造函数才会生成，写了任意一个构造函数就不会生成。
2. 内置类型的成员不会处理（C++11，声明支持给缺省参数）。
3. 自定义类型的成员才会处理，回去调用这个成员的构造函数。

总结：一般情况都需要我们自己写构造函数，决定初始化方式。
成员变量全是自定义类型，可以考虑不写构造函数。

6. 关于编译器生成的默认成员函数，很多童鞋会有疑惑：不实现构造函数的情况下，编译器会生成默认的构造函数。但是看起来默认构造函数又没什么用？d对象调用了编译器生成的默认构造函数，但是d对象_year/_month/_day，依旧是随机值。也就说在这里编译器生成的默认构造函数并没有什么用？？

解答：C++把类型分成内置类型(基本类型)和自定义类型。内置类型就是语言提供的数据类型，如：int/char…，自定义类型就是我们使用class/struct/union等自己定义的类型，会发现编译器生成默认的构造函数会对自定类型成员_t调用的它的默认成员函数。

注意： C++11 中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。

7. 无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个。

个人见解： 如果是无参调用构造函数，那么我们可以在声明成员的时候补上缺省参数，这样也就相当于是调用了默认构造函数。

重点：

在 C++ 类中，当成员函数声明和定义分离时，缺省参数应仅在声明时指定，定义部分只需列出形参类型，无需重复缺省参数。

3. 析构函数

3.1 概念

析构函数：与构造函数功能相反，析构函数不是完成对对象本身的销毁，局部对象销毁工作是由编译器完成的。而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工作。

3.2 特性

析构函数是特殊的成员函数，其特征如下：

1. 析构函数名是在类名前加上字符 ~。
2. 无参数无返回值类型。
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。注意：析构函数不能重载
4. 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数。

案例演示：

输出结果：

注： 栈上对象的释放遵循后进先出原则，而堆上对象的释放顺序由程序员手动控制。

5. 编译器会生成的默认析构函数，对自定类型成员调用它的析构函数。

6. 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，比如Date类；有资源申请时，一定要写，否则会造成资源泄漏，比如Stack类。

3.3 通过c++完成两个栈实现队列。

3.3.1 类声明

#include <iostream>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

typedef int DataType;
using namespace std;

//栈
class stack
{
public:
	stack();
	void CheckCapacity();
	void STPush(int val = 0);
	bool STEmpty();
	void STPop();
	int STPos();
	DataType STTop();
	DataType STbottom();
	~stack();
private:
	DataType* _arr;
	DataType _Top;
	DataType _Capacity;
};

//两个栈实现队列
class my_Queue
{
public:
	void myQueuePush(int val);
	bool myQueueEmpty();
	void myQueuePop();
	int myQueuebbottom();
private:
	stack s1;
	stack s2;
};

3.3.2 类的函数成员实现

#include "stack.h"

//栈的各个功能实现

//构造函数_初始化
stack::stack()
{
	DataType* tmp = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);
	if (tmp == nullptr)
	{
		perror("malloc：");
		exit(-1);
	}
	_arr = tmp;
	_Top = 0;
	_Capacity = 4;
}

//检查容量
void stack::CheckCapacity()
{
	if (_Top == _Capacity)
	{
		int newCapacity = _Capacity * 2;
		DataType* tmp = (DataType*)realloc(_arr, sizeof(DataType) * newCapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc：");
			exit(-1);
		}
		_arr = tmp;
		_Capacity = newCapacity;
	}
}

//插入数据
void stack::STPush(int val)
{
	CheckCapacity();
	_arr[_Top++] = val;
}

//判断栈是否为空
bool stack::STEmpty()
{
	return _Top == 0;
}

//释放栈顶
void stack::STPop()
{
	assert(!STEmpty());
	_Top--;
}

//返回栈顶
DataType stack::STTop()
{
	assert(!STEmpty());
	return _arr[_Top - 1];
}

//析构函数_销毁
stack::~stack()
{
	free(_arr);
	_Top = _Capacity = 0;
}

//返回栈有多少成员个数
int stack::STPos()
{
	return _Top;
}

//返回栈底
DataType stack::STbottom()
{
	assert(!STEmpty());
	return _arr[0];
}

//通过两个栈实现队列

//入队
void my_Queue::myQueuePush(int val)
{
	s1.STPush(val);
}

//判断队里是否为空
bool my_Queue::myQueueEmpty()
{
	return s1.STEmpty();
}

//出队
void my_Queue::myQueuePop()
{
	assert(!myQueueEmpty());
	while (s1.STPos() > 1)
	{
		s2.STPush(s1.STTop());
		s1.STPop();
	}
	s1.STPop();
	while (!s2.STEmpty())
	{
		s1.STPush(s2.STTop());
		s2.STPop();
	}
}

//返回队头数据
int my_Queue::myQueuebbottom()
{
	if (s1.STEmpty())
	{
		cout << "暂无数据！！！" << endl;
	}
	return s1.STbottom();
}

3.3.3 逻辑实现

int main()
{
	//实例化对象
    my_Queue Q;
    int i = 0;
    //入队
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        Q.myQueuePush(i+1);
    }
    //输出队头并且出队
    while (!Q.myQueueEmpty())
    {
        cout << Q.myQueuebbottom() << " ";
        Q.myQueuePop();
    }
	return 0;
}

输出结果：

4. 拷贝构造函数

拷贝构造函数： 一个已经存在的对象去初始化另一个待创建的对象。
赋值操作： 两个存在的对象进行值拷贝。

4.1 概念

拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

案例演示：

分析原因： 在调用 func2(s) 时，因默认浅拷贝，func2 里的 s1 和外部的 s 对象中的 _arr 指针指向同一块动态开辟的空间。func2 函数结束，s1 析构，释放该内存；程序结束时，s 析构，试图再次释放同一块已被释放的内存，产生未定义行为，可能导致程序崩溃。

解决办法： 类似于传址调用，延长函数内部对象的生命周期，这里我通过引用类型进行接受实参，即便函数结束也不会进行析构，直到最后程序结束。才会执行析构函数。

4.2 特征

拷贝构造函数也是特殊的成员函数，其特征如下：

1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。
2. 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。

class Date
{
public:
 	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
 	{
 		_year = year;
 		_month = month;
 		_day = day;
 	}
	// Date(const Date& d)   // 正确写法
	Date(const Date& d)   
	// 错误写法：编译报错，会引发无穷递归
	//Date(Date d)  
	{
 		_year = d._year;
 		_month = d._month;
 		_day = d._day;
 	}
 private:
 	int _year;
 	int _month;
 	int _day;
 };
 
 int main()
{
 	Date d1;
 	Date d2(d1);
 	return 0;
}

为什么值传递需要拷贝函数？

答： 如果是stack自定义类型使用默认拷贝函数的话，会连带着动态开辟的地址一起拷贝的情况，导致最后会产生两次调用析构函数的情况。

画图详解：

个人见解： 我们定义一个自定义类型 date 并创建对象 d1 。然后，通过语句 date d2(d1) 调用拷贝构造函数对 d1 进行拷贝。由于拷贝构造函数采用值传递，当传入 d1 这个自定义类型对象时，为了初始化接收的形参，会创建该形参，并再次调用拷贝构造函数。在此过程中，始终将实参 d1 作为参数传入新的拷贝构造函数调用中，从而引发无限递归问题。由此可见，正是因为值传递的特性，每一次调用拷贝构造函数都会为新的形参创建 d1 的副本，而新形参的创建又会触发以 d1 为实参的新一轮拷贝构造函数调用，形成一个封闭的递归逻辑。

总结： 在设计拷贝构造函数时，应始终避免使用值传递，而优先选择引用传递。引用传递不仅可以避免无限递归问题，还能提高程序的性能，因为它无需创建对象的副本，减少了内存开销和复制操作的时间消耗。同时，为了防止在拷贝构造函数中意外修改原对象，建议使用 const 修饰引用参数。

3. 若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。

注意：在编译器生成的默认拷贝构造函数中，内置类型是按照字节方式直接拷贝的，而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的。

4. 类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数是否写都可以；一旦涉及到资源申请
   时，则拷贝构造函数是一定要写的，否则就是浅拷贝。

深拷贝代码分析：

5. 拷贝构造函数典型调用场景：
   1 使用已存在对象创建新对象
   2 函数参数类型为类类型对象
   3 函数返回值类型为类类型对象

为了提高程序效率，一般对象传参时，尽量使用引用类型，返回时根据实际场景，能用引用
尽量使用引用。

当我们不写，编译器默认生成拷贝构造函数，跟之前的构造函数特性有一点不一样。

1. 内置类型：值拷贝
2. 自定义类型：调用它的拷贝

总结：date不需要我们实现拷贝构造函数，默认调用即可。而stack需要我们实现拷贝构造函数，默认生成最后可能导致进行两次析构处理，出现问题。

类拷贝本质是原对象成员向新对象的逐一复制过程。其拷贝方式取决于是否存在显式拷贝函数，若有则调用该函数，若无则采用默认拷贝函数。

默认成员和非默认成员之间的关系：

5. 赋值运算符重载

5.1 运算符重载

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。

函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。

函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

注意：

• 不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@
• 重载操作符必须有一个类类型参数
• 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不能改变其含义
• 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this
• .* :: sizeof ?: . 注意以上5个运算符不能重载。

常规自定义类型对比：

输出结果：

接下来我们对该函数进行封装：

在该函数中，由于参数只设置了两个，一个为默认参数this指针，第二个参数就可以传入另一个比较参数自定义类。

再写一个==等于的赋值重载代码：

通过我们学的运算符重载简化代码：

5.2 日期查询

输出结果：

结论： 我们可以发现运算符重载+赋值给了新的类对象同时也改变了自己，这其实和运算符重载+=的结果一样。其原因是因为我们在运算符重载+中已经改变了自身类对象的值。

如果我们要实现，原类对象不改变的情况改变新类对象，如下操作：

我们可以通过拷贝的方式在不影响原类对象的情况下，改变拷贝的对象，再将拷贝的对象赋值给新的对象实现该操作。

运算符+=和运算符+搭配的两种写法：

方法一：

方法二：

以上两种方法对比，明显方法二会更合理；用到运算符重载嵌套的时候应该减少调用拷贝构造函数。

运算符-= 和 运算符- 的搭配使用：

5.2 赋值运算符重载

• 参数类型： const T&，传递引用可以提高传参效率
• 返回值类型： T&，返回引用可以提高返回的效率，有返回值目的是为了支持连续赋值
• 检测是否自己给自己赋值
• 返回*this ： 要复合连续赋值的含义

当我们进行赋值的时候，我们也可以使用运算符重载，代码如下：

但是很明显，这样的代码并不能满足我们完成链式赋值的要求，所以我们重新进行修改，代码如下：

通过返回类的引用，使得链式赋值中的其余变量能够接收然后重新返回类的引用形成链式赋值。

5.3 前置++和 后置++的运算符重载

代码演示：

他们最大的区别就算返回值的不同，一个返回了相加之前的值，一个返回了相加之后的值。

后置-- 和前置–也是相同的道理，代码如下：

输出结果：

5.4 算出两个日期之间相差的天数

输出结果：

5.5 operator[]重载实现

#include <iostream>
#include <stdexcept>

//模板声明
template <typename T>
class SeqList {
//私有成员
private:
    T* data;
    int size;
    int capacity;

public:
//构造函数
    SeqList(int initialCapacity = 10) 
    	: size(0)
    	, capacity(initialCapacity) 
    	{
    		//data接收开辟Capacity个T类型的动态空间
        	data = new T[capacity];
  		}
	//析构函数
    ~SeqList() {
        delete[] data;
    }
	//添加元素
    void append(const T& value) {
        if (size == capacity) {
            // 扩容
            capacity *= 2;
            T* newData = new T[capacity];
            for (int i = 0; i < size; ++i) {
                newData[i] = data[i];
            }
            delete[] data;
            data = newData;
        }
        data[size++] = value;
    }
	//重载实现
	//非const成员函数可以对返回进行修改
    T& operator[](int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw std::out_of_range("Index out of range");
        }
        return data[index];
    }
	//const成员函数只能进行读取操作
    const T& operator[](int index) const {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw std::out_of_range("Index out of range");
        }
        return data[index];
    }
	//返回Size
    int getSize() const {
        return size;
    }
};

int main() {
    SeqList<int> list;
    list.append(1);
    list.append(2);
    list.append(3);

    try {
        std::cout << "Element at index 1: " << list[1] << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cerr << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}    

总结：

operator[] 重载让 SeqList 对象能够像数组一样使用 [] 运算符来访问元素。你在 [] 中传入的整数索引，会作为参数传递给 operator[] 函数，该函数会返回对应索引位置的元素。因此，你可以像 list[1] 这样使用 [] 来访问 SeqList 中的元素。

6. const 成员

将const修饰的“成员函数”称之为const成员函数， const修饰类成员函数，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。

代码演示：

class Date
{
public:
 	Date(int year, int month, int day)
 	{
 		_year = year;
 		_month = month;
 		_day = day;
 	}
 	
 	void Print()
 	{
 		cout << "Print()" << endl;
 		cout << "year:" << _year << endl;
 		cout << "month:" << _month << endl;
 		cout << "day:" << _day << endl << endl;
 	}
 	
 	//从 const date* -> const date*
 	//完成权限平移
 	void Print() const
	{
 		cout << "Print()const" << endl;
 		cout << "year:" << _year << endl;
 		cout << "month:" << _month << endl;
	 	cout << "day:" << _day << endl << endl;
	}
	
private:
 	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};

void Test()
{
 	Date d1(2022,1,13);
 	d1.Print();
 	const Date d2(2022,1,13);
 	d2.Print();
}

请思考下面的几个问题：

1. const对象可以调用非const成员函数吗？×
2. 非const对象可以调用const成员函数吗？ √
3. const成员函数内可以调用其它的非const成员函数吗？×
4. 非const成员函数内可以调用其它的const成员函数吗？√

如上两段代码符合函数重载要求，其原因在于传递的类型并没有造成歧义，可以同时存在。
其次就是匹配原则：编译器会找到最符合要求的函数进行传递。如果只有const的情况下，那么我们即便传入非const成员也会进行传递。

通过各种c++语法前期学习，以顺序表为基础做一个简单练习：

class SeqList
{
public:
	//检查容量
	void CheckCapacity()
	{
		if (_Size == _Capacity)
		{
			int newCapacity = _Capacity == 0 ? 4 : _Capacity * 2;
			int* tmp = (int*)realloc(_arr, sizeof(int) * newCapacity);
			if (tmp == nullptr)
			{
				perror("realloc：");
				return;
			}
			_arr = tmp;
			_Capacity = newCapacity;
			cout << "扩容成功！！！" << endl;
		}
	}
	//返回顺序表中最末端未存储的数据
	int& SLPushBack()
	{
		CheckCapacity();
		return _arr[_Size++];
	}
	//输出
	void SLPrint()
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < _Size; i++)
		{
			cout << _arr[i] << " " << endl;
		}
	}
	//返回当前存储个数
	int size()
	{
		return _Size;
	}
	//运算符重载，返回顺序表中下标为i的数据
	int operator[](int i)
	{
		return _arr[i];
	}
private:
	int* _arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 1);
	int _Size = 0;
	int _Capacity = 0;
};

int main()
{
	SeqList s;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		s.SLPushBack() = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < s.size(); i++)
	{
		cout << s[i] << " ";
	}
	return 0;
}

8. 取地址及const取地址操作符重载

这两个默认成员函数一般不用重新定义 ，编译器默认会生成。

class Date
{ 
public :
 	Date* operator&()
 	{
 		return this ;
	}
	
 	const Date* operator&()const
 	{
 		return this ;
 	}
private :
 	int _year ; // 年
	int _month ; // 月
	int _day ; // 日
};

这两个运算符一般不需要重载，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需
要重载，比如想让别人获取到指定的内容！