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侯捷C++系列课程学习笔记

news 来源：原创 2025/5/25 12:34:37

目录

一、面向对象编程（Object-Oriented Programming）

二、内存管理（Memory Management）

三、模板与泛型编程（Templates & Generic Programming）

四、STL（Standard Template Library）

五、C++对象模型（Object Model）

六、C++11/14/17新特性

七、学习建议

一、面向对象编程（Object-Oriented Programming）

  1. 封装（Encapsulation）

    • 类与对象的关系：类为蓝图，对象为实例。

    • 访问控制：public/protected/private 的作用域差异。

    • 成员函数与数据成员的初始化顺序。

  2. 继承（Inheritance）

    • 公有继承（class Derived : public Base）的"is-a"关系。

    • 虚函数与多态：virtual 关键字的作用，动态绑定的实现原理。

    • 纯虚函数与抽象类：virtual void func() = 0; 的语义。

  3. 多态（Polymorphism）

    • 虚函数表（vtable）与虚指针（vptr）的底层机制。

    • 动态类型转换：dynamic_cast 的使用场景与限制。

    • 析构函数必须为虚函数的原因：避免内存泄漏。

class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;  // 纯虚函数
    virtual ~Shape() {}             // 虚析构函数
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override { 
        cout << "Drawing a circle" << endl; 
    }
};

二、内存管理（Memory Management）

  1. 堆与栈的差异

    • 栈：自动分配/释放，速度快，空间有限。

    • 堆：手动管理（new/delete），灵活但易出错。

  2. 深浅拷贝问题

    • 默认拷贝构造函数与赋值运算符的浅拷贝风险。

    • 实现深拷贝的示例：

    class String {
private:
    char* data;
public:
    // 自定义拷贝构造函数
    String(const String& other) {
        data = new char[strlen(other.data) + 1];
        strcpy(data, other.data);
    }
    // 自定义赋值运算符
    String& operator=(const String& other) {
        if (this != &other) {
            delete[] data;
            data = new char[strlen(other.data) + 1];
            strcpy(data, other.data);
        }
        return *this;
    }
};

  3. RAII（Resource Acquisition Is Initialization）

    • 资源获取即初始化，通过对象生命周期管理资源（如智能指针）。

三、模板与泛型编程（Templates & Generic Programming）

  1. 函数模板

    template <typename T>
T max(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

  2. 类模板

    • 特化（Specialization）与偏特化（Partial Specialization）。

    template <typename T>
class Vector {
    // 通用实现
};

template <> 
class Vector<bool> { 
    // 对bool类型的特化实现
};

  3. 模板元编程（TMP）

    • 编译期计算：利用模板在编译期间生成代码。

    • 类型萃取（Type Traits）：std::is_integral<T>::value 的应用。

四、STL（Standard Template Library）

  1. 六大组件

    • 容器（Containers）、算法（Algorithms）、迭代器（Iterators）

    • 适配器（Adapters）、仿函数（Functors）、分配器（Allocators）

  2. 常用容器

    • 序列容器：vector, list, deque

    • 关联容器：map（红黑树实现）, unordered_map（哈希表实现）

  3. 迭代器失效问题

    • vector 插入元素可能导致所有迭代器失效。

    • map 删除元素仅影响被删除元素的迭代器。

五、C++对象模型（Object Model）

  1. 对象内存布局

    • 成员变量按声明顺序排列，受内存对齐影响。

    • 虚函数表指针（vptr）的位置（通常位于对象头部）。

  2. 多重继承与虚继承

    • 菱形继承问题：通过虚继承避免重复基类成员。

    class A {};
class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};
class D : public B, public C {};

六、C++11/14/17新特性

  1. 移动语义（Move Semantics）

    • 右值引用（T&&）与 std::move()。

    • 移动构造函数与移动赋值运算符。

  2. 智能指针

    • unique_ptr（独占所有权）、shared_ptr（共享计数）、weak_ptr（打破循环引用）。

  3. Lambda表达式

    auto func = [](int x) -> int { return x * 2; };

七、学习建议

  1. 动手实践

    • 对每个知识点编写示例代码并调试观察结果（如通过gdb查看对象内存布局）。

  2. 理解底层机制

    • 侯捷课程强调"知其所以然"，例如虚函数表如何实现多态。

  3. 善用工具

    • 使用 -fdump-class-hierarchy（GCC）查看类层次结构。

    • 通过反汇编分析编译器生成的代码。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <string>
#include <typeinfo>

// ==================== 图形基类与派生类 ====================
class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<Shape> clone() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
    
    void setColor(const std::string& color) { m_color = color; }
    std::string getColor() const { return m_color; }

protected:
    std::string m_color = "black";
};

class Circle : public Shape {
public:
    explicit Circle(double r) : radius(r) {}

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing " << m_color 
                  << " circle (radius=" << radius << ")\n";
    }

    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        auto cloned = std::make_unique<Circle>(*this);
        cloned->setColor(m_color);
        return cloned;
    }

private:
    double radius;
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}

    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing " << m_color 
                  << " rectangle (" << width << "x" << height << ")\n";
    }

    std::unique_ptr<Shape> clone() const override {
        auto cloned = std::make_unique<Rectangle>(*this);
        cloned->setColor(m_color);
        return cloned;
    }

private:
    double width;
    double height;
};

// ==================== 画布类 ====================
class Canvas {
public:
    template<typename T, typename... Args>
    void addShape(Args&&... args) {
        shapes.emplace_back(
            std::make_unique<T>(std::forward<Args>(args)...)
        );
    }

    void drawAll() const {
        for (const auto& shape : shapes) {
            shape->draw();
        }
    }

    Canvas clone() const {
        Canvas newCanvas;
        for (const auto& shape : shapes) {
            newCanvas.shapes.push_back(shape->clone());
        }
        return newCanvas;
    }

    // 获取指定索引的图形对象
    std::unique_ptr<Shape>& getShape(size_t index) {
        return shapes[index];
    }

    // 获取图形容器引用
    const std::vector<std::unique_ptr<Shape>>& getShapes() const {
        return shapes;
    }

private:
    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
};

// ==================== 工具模板函数 ====================
template<typename Container>
void printContainerInfo(const Container& c) {
    std::cout << "\nContainer Info:"
              << "\n  Size: " << c.size()
              << "\n  Capacity: " << c.capacity() 
              << "\n  Type: " << typeid(typename Container::value_type).name() 
              << "\n\n";
}

template<typename T>
void transferOwnership(std::unique_ptr<T>& src, std::unique_ptr<T>& dest) {
    dest = std::move(src);
}

// ==================== 主程序 ====================
int main() {
    Canvas mainCanvas;

    // 添加图形对象
    mainCanvas.addShape<Circle>(5.0);      // 圆形半径5
    mainCanvas.addShape<Rectangle>(3.0, 4.0); // 矩形3x4

    // 克隆画布
    Canvas backupCanvas = mainCanvas.clone();

    // 修改原始画布的第一个图形颜色
    if (mainCanvas.getShapes().size() > 0) {
        auto& firstShape = mainCanvas.getShape(0);
        if (dynamic_cast<Circle*>(firstShape.get())) {
            firstShape->setColor("red");
        }
    }

    // 绘制对比
    std::cout << "===== Main Canvas =====\n";
    mainCanvas.drawAll();

    std::cout << "\n===== Backup Canvas =====\n";
    backupCanvas.drawAll();

    // 演示模板函数
    printContainerInfo(mainCanvas.getShapes());

    // 演示移动语义
    std::unique_ptr<Shape> src = std::make_unique<Circle>(2.0);
    std::unique_ptr<Shape> dest;
    transferOwnership(src, dest);
    std::cout << "After ownership transfer:\n";
    if (dest) dest->draw();
    if (!src) std::cout << "Source pointer is now null\n";

    return 0;
}

编译与运行说明：

  1. 保存为 main.cpp

  2. 使用支持C++17的编译器编译：

    g++ -std=c++17 -o graphics main.cpp

  3. 运行程序：

    ./graphics

输出示例：

===== Main Canvas =====
Drawing red circle (radius=5)
Drawing black rectangle (3x4)

===== Backup Canvas =====
Drawing black circle (radius=5)
Drawing black rectangle (3x4)

Container Info:
  Size: 2
  Capacity: 2
  Type: St10unique_ptrI5ShapeSt14default_deleteIS0_EE

After ownership transfer:
Drawing black circle (radius=2)
Source pointer is now null

 

项目特点：

  1. 单一文件实现所有功能

  2. 包含完整的多态、模板、智能指针应用

  3. 演示深拷贝、移动语义等关键特性

  4. 可直接编译验证所有知识点

  5. 包含异常安全的动态类型转换检查

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