初学者浅析C++类与对象

C++类与对象

class

class基本语法

class ClassName {
public:
    // 公有成员
    Type memberVariable;         // 数据成员
    ReturnType memberFunction(); // 成员函数声明

private:
    // 私有成员
    Type privateMemberVariable;  // 数据成员
    ReturnType privateMemberFunction(); // 成员函数声明

protected:
    // 保护成员
    Type protectedMemberVariable; // 数据成员
    ReturnType protectedMemberFunction(); // 成员函数声明
};

Important points

• public :公有访问权限，类的外部可以访问

• private：私有访问权限，只有类的内部可以访问。

• protected：保护访问权限，只有类的内部和派生类可以访问。

• 注意，默认权限为private

这里可以实现成员变量的被操作权限

在class中，声明数组大小时，如果声明大小使用的变量为class内的变量时，应当如下

class Map{
    public:
        const static int maxn =4343;
        int next[maxn]={};
};

或者建议使用 array 或者 vector

关于class中的static修饰词警示后人

在class中访问没有static修饰的函数与变量都是需要一个已经创建的对象才可以访问。

但是有了static修饰以后便会有所不同。有static修饰的变量和函数仅仅属于这个类本身，不属于某个特定的对象，但是其仍然拥有访问权限的设置！！

其可以直接被如下方式访问

class classname{
	public:
		static functionname(){/*content*/}
		static cnt;
};

int main (){
	classname::functionname();
	cout<<classname::cnt<<endl;
}

构造函数与析构函数

构造函数语法：类名(){}

1. 构造函数，没有返回值也不写void
2. 函数名称与类名相同
3. 构造函数可以有参数，因此可以发生重载
4. 程序在调用对象时候会自动调用构造，无须手动调用,而且只会调用一次

析构函数语法： ~类名(){}

1. 析构函数，没有返回值也不写void
2. 函数名称与类名相同,在名称前加上符号 ~
3. 析构函数不可以有参数，因此不可以发生重载
4. 程序在对象销毁前会自动调用析构，无须手动调用,而且只会调用一次

注： 这两个函数会被设置访问权限，可以限制类的创建和销毁！！

构造函数分类与调用

两种分类方式：

​ 按参数分为： 有参构造和无参构造

​ 按类型分为： 普通构造和拷贝构造

三种调用方式：

​ 括号法 ``````

​ 显示法

​ 隐式转换法

深拷贝与浅拷贝的差别：

浅拷贝（Shallow Copy）

浅拷贝是指复制对象时，新的对象和原始对象共享相同的内存地址。换句话说，浅拷贝仅复制对象的值（即指针和基本数据类型的值），而不是指针所指向的实际对象。

特点：

1. 共享引用: 如果对象包含指针或引用，浅拷贝只复制指针的值，因此原始对象和拷贝对象的指针会指向同一块内存区域。
2. 性能: 浅拷贝比深拷贝通常更快，因为它只需要复制指针和基本数据类型的值，而不需要递归地复制所有引用的对象。
3. 潜在问题: 由于原始对象和拷贝对象共享相同的内存区域，当一个对象修改了指针指向的内容时，另一个对象的内容也会受到影响。此共享可能导致悬挂指针（如果一个对象释放了共享内存，另一个对象会变成悬挂状态）或数据不一致的问题。

深拷贝（Deep Copy）

深拷贝则是创建一个新对象，并递归地复制原始对象所引用的所有对象。换句话说，深拷贝不仅复制对象的值，还复制对象内包含的所有指针指向的对象，从而创建一个完全独立的新对象。

特点：

1. 独立性: 原始对象和深拷贝对象之间没有共享的内存区域，修改一个对象不会影响另一个对象。
2. 性能: 深拷贝可能较慢，因为它涉及递归地复制所有指针所指向的内容。
3. 内存管理: 深拷贝通常需要编写额外的代码来确保正确管理内存，例如在析构函数中释放分配的内存，避免内存泄漏。

构造函数的初始化列表

class Person {
public:

	////传统方式初始化
	//Person(int a, int b, int c) {
	//	m_A = a;
	//	m_B = b;
	//	m_C = c;
	//}

	//初始化列表方式初始化
	Person(int a, int b, int c) :m_A(a), m_B(b), m_C(c) {}
	void PrintPerson() {
		cout << "mA:" << m_A << endl;
		cout << "mB:" << m_B << endl;
		cout << "mC:" << m_C << endl;
	}
private:
	int m_A;
	int m_B;
	int m_C;
};

类对象作为类成员的构造和析构函数调用顺序

C++类中的成员可以是另一个类的对象，我们称该成员为 对象成员

//构造的顺序是 ：先调用对象成员的构造，再调用本类构造
//析构顺序与构造相反

静态成员

静态成员变量

• 所有对象共享同一份数据

• 在编译阶段分配内存

• 类内声明，类外初始化（一定要记着初始化，不然编译错误不显示！！！）

  class Example {
  public:
      static int staticVar; // 声明静态成员变量
  };
  
  int Example::staticVar = 0; // 定义并初始化静态成员变量
  

静态成员函数(static)

• 所有对象共享同一个函数
• 静态成员函数只能访问静态成员变量（其实只需要在参数上加入一个对象就可以访问对象的成员变量）

静态函数可以在类里面声明，在类外定义！！

常成员(const)

const 修饰成员函数

• 保证不会改变对象的状态，但是可以调用更改 static 修饰的变量

• 只可以调用其他const成员函数

  为了保证在const成员函数中，不会对对象进行改变

  可以调用静态函数！！！

• 可以返回一个值，但是如果返回的是指针or引用，则必须加上const

  class Type{
  	int a;
      const int* GO() const{//int const* GO() const 这样也可以
          return &a;
  	}
  };
  

  这一条并不适用于 static变量： 当返回的值为static变量的地址或引用时，可以不用static

  注意：在这里在再次区分一下 const int * int const * int * const

  前两者是一样的，定义的指针不可以修改对应的地址

  第三者是指该指针所指的地址不可修改，但是可以通过指针修改内容

• 成员变量加上 \(mutable\) 就可以不受以上规则限制，而可被const函数修改和返回非常量指针

总结: 常函数保证了不会通过其对对象有任何形式的修改包括指针与引用，但是对应于 \(static,mutabl\) 修饰的变量例外

const关键字的使用方式：

const int* () const{}

前一个 \(const\) 用于修饰返回值，后一个用于修饰函数为静态函数

注意：函数可以反回 \(const\) 的值，但是没有意义，因为其返回的值是拷贝。但是返回 \(const\) 的指针与引用是有意义的。

const MyClass& getObject() const {
    static MyClass obj;
    return obj;
}
OR
const MyClass* getObject() const {
    static MyClass obj;
    return obj;
}

常对象

• 声明对象前加const称该对象为常对象
• 常对象只能调用常函数

• 常对象可以修改静态变量，调用静态函数，修改 \(mutable\) 变量

友元

通过声明友元的方式，可以使C++中某个类的private和protected的变量和函数被其他类和函数访问

友元类

友元类函数

友元全局函数

class People{
    friend class Dorm; //友元类
    friend void get_password(const People&,const Dorm&); //友元函数
    public:
    const int ID;
    void Change_drompassword(const int&,const int&,const int &,Dorm&);
    public:
    People(int id,int Password): ID(id),password(Password){
        cout<<"creat a new person\n";
    }
    private:
    int password;
};

class Dorm{
    friend class People;
    friend void get_password(const People & a,const Dorm & b);
    friend void People::Change_drompassword(const int&,const int&,const int &,Dorm&); //友元类函数
    private:
    int get_number(){
        return dorm_number;
    }
    int dorm_number;
    int dorm_password;
    public:
    Dorm(int number,int password):dorm_number(number),dorm_password(password){
        cout<<"creat a drom!\n";
    }
};

Attention:

• 在声明友元类函数之前，一定要保证该类已经被声明完成（提前声明不可以，因为complier只是知道了有这个类而不知道这个类的具体内容）。例如：将以上代码的两个类的定义交换位置为导致 $ incompleting $ 错误
• 在声明有友元函数时，参数列表不用写参数名称，但是 \(const~,\&~\) 不可拉下

友元的注意事项

1. 不具有继承关系：友元关系不会被继承。例如，如果类B是类A的友元，类C继承了类A，类C不会自动成为类B的友元。
2. 友元不具有传递性：如果类A是类B的友元，类B不是自动成为类A的友元。
3. 友元关系是单向的：即使类A是类B的友元，类B并不能自动访问类A的私有成员，除非类B也显式地声明类A为友元。

\(C++\) 中的输入输出流

输入流

• 用于从外部源（如键盘或文件）读取数据。

• 主要的输入流对象是std::cin，它表示标准输入流。

• cin.fail() 用于检查输入是否成功

• cin.ignore() 函数

  • 忽略指定数量的字符

    std::cin.ignore(count);//count 代表数量
    

  • 忽略直到特定字符或 EOF：

    std::cin.ignore(count, delimiter);//delimiter 代表分隔符，这个分隔符也会被舍去
    std::cin.ignore(numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n')：//忽略输入流中的特定字符或直到遇到换行符。
    

输出流

• 用于将数据输出到外部目标（如显示器或文件）。
• 主要的输出流对象是std::cout，它表示标准输出流。
• cout.flush() 刷新输出流，确保所有缓冲区的数据被输出到终端。

错误流

• 用于输出错误信息。

• 主要的错误流对象是std::cerr，它用于打印错误信息。

日志流（Log Stream）

• 用于输出警告或日志信息。
• 主要的日志流对象是std::clog。

注： 以上四个标准流的使用方法都是一样的

int x;
std::cin >> x;
std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
std::cerr << "An error occurred!" << std::endl;
std::clog << "This is a log message." << std::endl;

文件流

除了标准流，C++还支持文件流，用于从文件中读取数据或将数据写入文件。文件流的主要类有：

• std::ifstream：用于输入文件流。
• std::ofstream：用于输出文件流。
• std::fstream：用于读写文件流（即同时支持输入和输出）。

#include <iostream>
#include <fstream> // 引入文件流

int main() {
    // 写入文件
    std::ofstream outFile("example.txt");
    if (outFile.is_open()) {
        outFile << "Hello, File!" << std::endl;
        outFile.close();
    }

    // 读取文件
    std::ifstream inFile("example.txt");
    std::string line;
    if (inFile.is_open()) {
        while (getline(inFile, line)) {
            std::cout << line << std::endl;
        }
        inFile.close();
    }

    return 0;
}

文件打开模式

首先在打开文件流是可以设置打开模式的，设置方法如下

std::fstream file("example.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::ate);

注： 当要使用多个打开模式时，可以用 | 将其链接

接下来介绍文件打开模式

• std::ios::in：用于读操作。

• std::ios::out：用于写操作，文件内容会被覆盖（如果文件存在）。

• std::ios::app：用于追加操作，所有写入的数据会追加到文件末尾。

• std::ios::ate：文件打开时将文件指针定位到文件末尾，适用于需要在文件末尾开始读写的情况。

• std::ios::trunc：如果文件已经存在，会清空文件内容，通常与 std::ios::out 一起使用。

• std::ios::binary 以二进制的方式打开文件，不会进行仍何文本转化（比如换行符转化）

  #include <iostream>
  #include <fstream>
  #include <vector>
  
  int main() {
      // 文件名
      const char* filename = "example.bin";
  
      // 打开文件以二进制模式
      std::ifstream file(filename, std::ios::binary);
  
      // 检查文件是否成功打开
      if (!file) {
          std::cerr << "无法打开文件: " << filename << std::endl;
          return 1;
      }
  
      // 移动文件指针到文件末尾以获取文件大小
      file.seekg(0, std::ios::end);
      std::streamsize size = file.tellg();
      file.seekg(0, std::ios::beg);
  
      // 使用 std::vector 存储文件内容
      std::vector<char> buffer(size);
  
      // 读取文件内容到 buffer 中
      if (file.read(buffer.data(), size)) {
          // 处理文件内容（示例中仅输出文件大小）
          std::cout << "文件大小: " << size << " 字节" << std::endl;
          // 这里可以根据需要处理 buffer 中的数据
      } else {
          std::cerr << "读取文件失败" << std::endl;
      }
  
      // 关闭文件
      file.close();
  
      return 0;
  }
  /*
  文件名：你需要指定你想要读取的文件名。示例中使用的是 "example.bin"。
  
  打开文件：std::ifstream file(filename, std::ios::binary); 这行代码打开了指定的文件，并以二进制模式进行读取。
  
  获取文件大小：使用 seekg 和 tellg 方法来确定文件的大小。
  
  读取内容：file.read(buffer.data(), size); 这行代码将文件内容读取到 buffer 中。
  
  错误检查：在打开文件和读取文件后，检查是否成功执行这些操作。
  
  关闭文件：使用 file.close(); 关闭文件。
  */
  

以上打开方式在 ifstream ofstream 中使用是没有问题的，只不过要注意不要把输出的文件打开方式安在输入文件流上面了，会导致文件流无法正常打开的问题

最后让我们来介绍一下在 fstream 中使用这些文件打开方式会出现的一些问题

• 单独使用 app,ate,trunc 都是不行的，因为他们没有给出文件的读写模式，所以要加上 in out

• 有个作死的玩法

  fstream IN(".in", std::ios::out);
  cout<<IN.is_open()<<endl;
  int a;
  IN>>a;
  IN<<1111<<endl;
  

  然后你就会发现输出了个寂寞

定位输出指针

std::ios::beg //开头指针
std::ios::cur //当前指针
std::ios::end //文件末尾

搭配函数 seekg() 使用

    // 将读指针移动到文件开头
inFile.seekg(0, std::ios::beg);
    // 将读指针移动到当前指针位置向后偏移5个字符的位置
inFile.seekg(5, std::ios::cur);

\(istream\) 与 \(ostream\)

这两是流的两种类型，是最基础的，一个是输入流，一个是输出流

重载运算符的时候就是用的这两

//笔者摆烂了，BF5见！

运算符重载

重载函数的两种形式

重载函数和其他函数一样都会存在访问权限问题！！！

友函数重载

class Grade{
    friend ostream& operator<<(ostream& out,const Grade & P);
    private:
    int grade_Chnese,grade_program,grade_math;
    Grade(int a,int b,int c,bool OP):grade_Chnese(a),grade_program(b),grade_math(c){
        if(OP) cout<<"insert grade succesfully!\n";
    }
    Grade(){}
};

ostream& operator <<(ostream & OUTT,const Cnt & b){
    OUTT<<b.cnt<<endl;
    return OUTT;
}

注： 在友函数重载中，两个参数分别代表左右操作符（其实也可以不用加 friend 如果不用访问 private 和 protected 的话）

成员函数重载

class Grade{
    public:
    Grade operator + (const Grade& A) const{
       return Grade(A.grade_Chnese+grade_Chnese,A.grade_program+grade_program,A.grade_math+grade_math,0);
    }
}

注： 在成员函数重载中对象本身会作为左操作数，参数作为右操作数

运算符重载实例

注： + - * / > < >= <= == 都比较简单，参考结构体重构一样的

注： 建议在定义参数时使用常变量+引用，防止意外的更改以及加快速度

左移右移符号（输入输出流操作符）

由于在左移右移符号中，对象始终处于右操作数，所以只可以使用友函数的方法

class Grade{
    friend ostream& operator<<(ostream& out,const Grade & P);
    friend class People;
    private:
    int grade_Chnese,grade_program,grade_math;
    Grade(int a,int b,int c,bool OP):grade_Chnese(a),grade_program(b),grade_math(c){
        if(OP) cout<<"insert grade succesfully!\n";
    }
    Grade(){}
    public:
    Grade operator + (const Grade& A) const{
        return Grade(A.grade_Chnese+this->grade_Chnese,A.grade_program+this->grade_program,A.grade_math+this->grade_math,0);
    }
};

ostream& operator<<(ostream& Gut,const Grade & P){
    Gut<<P.grade_Chnese<<" "<<P.grade_program<<" "<<P.grade_math<<endl;
    return Gut;
}

自增自减符号

class Cnt{
    public:
    double cnt;
    Cnt(long double a=0){cnt=a;}
    Cnt& operator ++(){
        (this->cnt)+=1;
        return *this;
    }//先修改，后返回引用
    Cnt operator ++(int){//这个int用于占位，是C++编译器用于区分这两个重载的标志，无实际意义！！
        Cnt a=*this;
        cnt+=1;
        return a;
    }//先返回值，后修改
};

继承

继承的基本概念：

1. 基类（Base Class）：被继承的类，提供共有的属性和方法。
2. 派生类（Derived Class）：从基类继承的类，可以重用基类的成员，并且可以扩展或修改这些成员。

继承的类型

1. 公有继承（Public Inheritance）：

   • 最常用的继承方式，表示派生类“是一个”基类的特殊类型。
   • 基类的公有成员在派生类中保持公有，基类的保护成员在派生类中保持保护。

• 基类的私有成员不能直接访问。

  class Base {
  public:
      int pubValue;
  protected:
      int protValue;
  private:
      int privValue;
  

};

class Derived : public Base {

public:

void accessMembers() {

pubValue = 1; // 可以访问公有成员

protValue = 2; // 可以访问保护成员

// privValue = 3; // 不能访问私有成员

}

};

2. **保护继承（Protected Inheritance）**：

    - 基类的公有和保护成员在派生类中都变成保护成员。
 - 不允许外部代码通过派生类访问这些成员，但派生类内部可以访问。

    ```cpp
    class Derived : protected Base {
    public:
        void accessMembers() {
            pubValue = 1;   // 可以访问公有成员（现在是保护成员）
            protValue = 2;  // 可以访问保护成员
            // privValue = 3; // 不能访问私有成员
        }
    };
 ```

3. **私有继承（Private Inheritance）**：
- 基类的公有和保护成员在派生类中都变成私有成员。
- 外部代码不能通过派生类访问这些成员，但派生类内部可以访问。

```cpp
class Derived : private Base {
public:
    void accessMembers() {
        pubValue = 1;   // 可以访问公有成员（现在是私有成员）
        protValue = 2;  // 可以访问保护成员
        // privValue = 3; // 不能访问私有成员
    }
};

注意： 虽然说基类 private 的成员是无法在派生类中被调用的，但是实际上他是被继承过来了的，只是被编译器隐藏了。

继承的特点

1. 构造函数和析构函数：

   • 派生类的构造函数会调用基类的构造函数。基类的构造函数先执行，派生类的构造函数后执行。
   • 派生类的析构函数会调用基类的析构函数。派生类的析构函数先执行，基类的析构函数后执行。

class Base {
public:
    Base() { std::cout << "Base Constructor\n"; }
    virtual ~Base() { std::cout << "Base Destructor\n"; }
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() { std::cout << "Derived Constructor\n"; }
    ~Derived() { std::cout << "Derived Destructor\n"; }
};

   如果你想向基类的构造函数中输入参数，可以用以下方式：

   ```C++
   class People{
       public:
       string Name;
       People(){cout<<"creat a people\n";}
       People(const string& name,const string& id,const string& phone_num):Name(name),ID(id),Phone_num(phone_num){cout<<"creat a new people\n";}
       protected:
       string ID;
       string Phone_num;
   };

   class Student: public People{
       public:
       Student(){cout<<"creat a new student\n";}
       Student(const string& name,const string& id,const string& phone_num):
       People(name,id,phone_num){//在这里，使用参数列表的方式注入参数
           cout<<"creat a new student\n";
       }
   };

这样写是不对的：

class People{
    public:
    string Name;
    People(){cout<<"creat a people\n";}
    People(const string& name,const string& id,const string& phone_num):Name(name),ID(id),Phone_num(phone_num){cout<<"creat a new people\n";}
    protected:
    string ID;
    string Phone_num;
};

class Student: public People{
    public:
    Student(){cout<<"creat a new student\n";}
        Student(const string& name,const string& id,const string& phone_num):
    People::Name(name),People::ID(id),People::Phone_num(phone_num){
        cout<<"creat a new student\n";
    }
};

1. 变量名冲突:

   多继承中如果父类中出现了同名情况，子类使用时候要加作用域

   class People{
       public:
       string Name;
       People(){cout<<"creat a people\n";}
       People(const string& name,const string& id,const string& phone_num):Name(name),ID(id),Phone_num(phone_num){cout<<"creat a new people\n";}
       void Print();
       protected:
       string ID;
       string Phone_num;
   };
   
   class Student: public People{
       public:
       string ID;
       Student(){cout<<"creat a new student\n";}
       Student(const string& name,const string& id,const string& phone_num,const string & IDD):People(name,id,phone_num),ID(IDD){
           cout<<"creat a new student\n";
       }
       void OKK(){
           cout<<People::ID<<" "<<ID<<endl;//这里，加入作用域就ok啦
       }
   };
   

2. 虚继承：

   • 用于解决菱形继承（钻石继承）问题，确保基类只被初始化一次。
   • 通过在基类前加上 virtual 关键字来声明虚继承。

   class Base {
   public:
       int value;
   };
   
   class Derived1 : virtual public Base {};
   class Derived2 : virtual public Base {};
   
   class Final : public Derived1, public Derived2 {};//在Final 类中就只会有一个 Base::value 避免了冗余和二义性
   

3. 多重继承：

   • C++支持一个类从多个基类继承。这种方式允许一个类同时继承多个类的功能，但需要小心避免命名冲突和不一致的问题。

   class A {
   public:
       void funcA() {}
   };
   
   class B {
   public:
       void funcB() {}
   };
   
   class C : public A, public B {
   public:
       void funcC() {}
   };
   

使用继承的注意事项

• 继承的正确性：确保使用继承关系能够表达类之间的实际关系，避免使用继承来简单地复用代码。
• 封装性：使用保护或私有继承可以减少对基类实现细节的依赖。
• 多态性：利用虚函数（virtual functions）和动态绑定（dynamic binding）来实现运行时多态。

继承是C++的一个强大特性，但合理地使用它对于维护代码的可读性和可维护性是非常重要的。

多态

C++中的多态主要有两种类型：

1. 编译时多态（静态多态）
2. 运行时多态（动态多态）

编译时多态（静态多态）

编译时多态发生在编译阶段，主要通过函数重载（Function Overloading）和运算符重载（Operator Overloading）来实现。

运行时多态（动态多态）

虚函数：在基类中声明为virtual的成员函数，允许派生类重写，并在运行时通过基类指针或引用调用派生类的实现。

class Base {
public:
    virtual void show() const {
        std::cout << "Base class show function" << std::endl;
    }

    virtual ~Base() {} // 虚析构函数，确保正确释放派生类资源
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() const override { // 重写基类的 show 函数
        std::cout << "Derived class show function" << std::endl;
    }
};

这里 override 表示这是一个重写的函数，如果是 override final 指明派生类中某个虚函数不仅是重写了基类的虚函数，而且不允许进一步重写

在基类中也可以采用纯虚函数的写法

纯虚函数语法：virtual 返回值类型 函数名 （参数列表）= 0 ;

当类中有了纯虚函数，这个类也称为抽象类

抽象类特点：

• 无法实例化对象（就是无法声明出对象）
• 子类必须重写抽象类中的纯虚函数，否则也属于抽象类

\(Attention:\)

当派生类的成员占据了堆的空间时（就是派生类是被 new 函数弄个出来的时候），基类的析构函数必须虚函数（纯虚函数也OK），不然会导致在 delete 派生对象时，只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数，导致出现内存泄漏。

#include <iostream>
//Wrong
class Base {
public:
    Base() { std::cout << "Base constructor\n"; }
    ~Base() { std::cout << "Base destructor\n"; } // 非虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() { std::cout << "Derived constructor\n"; }
    ~Derived() { std::cout << "Derived destructor\n"; }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    delete basePtr; // 只调用 Base 的析构函数
    return 0;
}

#include <iostream>
//corect
class Base {
public:
    Base() { std::cout << "Base constructor\n"; }
    virtual ~Base() { std::cout << "Base destructor\n"; } // 虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() { std::cout << "Derived constructor\n"; }
    ~Derived() { std::cout << "Derived destructor\n"; }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    delete basePtr; // 现在会调用 Derived 的析构函数，然后调用 Base 的析构函数
    return 0;
}

撒花完结！！！