C++面向对象程序设计_Part1

目录

  • C++历史
  • C++的组成
  • C++ 与 C 的数据和函数区别
  • 基于对象与面向对象的区别
  • C++类的两个经典分类
  • 头文件防卫式声明
  • 头文件的布局
  • 类的声明
  • 类模板简介
  • 内联(inline)函数
  • 访问级别
  • 函数重载
  • 构造函数的位置
  • 参数传递
  • 返回值传递
  • 友元
  • 操作符重载(一),this, cout
  • 操作符重载(二)非成员函数,无this,临时对象
  • Big Three ---string class begin
  • 构造函数与析构函数
  • 拷贝构造与拷贝赋值
  • 生命期——堆,栈,静态,全局
  • 重探new与delete
  • 探究动态分配过程的内存块
  • 动态分配array需要注意的问题

C++笔记主要参考侯捷老师的课程,这是一份是C++面向对象编程(Object Oriented Programming)的part1部分,这一部分讲述的是以良好的习惯构造C++类,基于对象(object based)讲述了两个c++类的经典实例——complex类和string类。看这份笔记需要有c++和c语言的基础,有一些很基础的不会解释。

markdown文件可以从GitHub中下载,链接:https://github.com/FangYang970206/Cpp-Notes, 推荐使用typora打开。

转发请注明github和原文地址,谢谢~

C++历史

谈到c++,课程首先过了一遍历史,c++是建立在c语言之上,最早期叫c++ with class,后来在1983年正式命名为c++,在1998年,c++98标志c++1.0诞生,c++03是c++的一次科技报告,加了一些新东西,c++11加入了更多新的东西,标志着c++2.0的诞生,然后后面接着出现c++14,c++17,到现在的c++20。

C++的组成

C++ 与 C 的数据和函数区别

在c语言中,数据和函数是分开的,构造出的都是一个变量,函数通过变量进行操作,而在c++中,生成的是对象,数据和函数都包在对象中,数据和函数都是对象的成员,这是说得通,一个对象所具有的属性和数据应该放在一块,而不是分开,并且C++类通常都是通过暴露接口隐藏数据的形式,让使用者可以调用,更加安全与便捷。

下图为part1两个类的数据和函数分布,可以看看:

基于对象与面向对象的区别

基于对象(Object Based):面对的是单一class的設計

面向对象(Object Oriented):面对的是多重classes 的设计,classes 和classes 之间的关系。

显然,要写好面向对象的程序,先基于对象写出单个class是比不可少的。

C++类的两个经典分类

一个是没有指针的类,比如将要写的complex类,只有实部和虚部,另一个就是带有指针的类,比如将要写的另一个类string,数据内部只有一个指针,采用动态分配内存,该指针就指向动态分配的内存。

头文件防卫式声明

从这开始介绍complex类,首先是防卫式声明,与c语言一样,防止头文件重复包含,上面是经典写法,还有一个# pragma once的写法,两者的区别可以参考这篇博客

头文件的布局

首先是防卫式声明,然后是前置声明(声明要构建的类,这个例子中还有友元函数),类声明中主要写出这个类的成员数据以及成员函数,类定义部分则是将类声明中的成员函数进行实现。

类的声明

这里的complex类是侯捷老师从c++标准库中截取的一段代码,足够说明问题,complex类主体分为public和private两部分,public放置的是类的初始化,以及复数实虚部访问和运算操作等等。private中主要防止类的数据,目的就是要隐藏数据,只暴露public中的接口,private中有double类型的实虚部,以及一个友元函数,这个友元函数实现的是复数的相加,将用于public中的+=操作符重载中,在public中,有四个函数,第一个是构造函数,目的是初始化复数,实虚部默认值为0,当传入实虚部时,后面的列表初始化会对private中的数据进行初始化,非常推荐使用列表初始化数据。第二个是重载复数的+=操作符,应该系统内部没有定义复数运算操作符,所以需要自己重载定义。第三个和第四个是分别访问复数的实部和虚部,可以看到在第一个大括号前面有一个const,这个原因将在后面讲述(加粗提醒自己),只要不改变成员数据的函数,都需要加上const,这是规范写法。

类模板简介

由于我们不光是想创建double类型的复数,还想创建int类型的复数,愚蠢的想法是在实现一遍int类的complex,这时候类模板派出用场了,模板是一个很大的话题,侯捷老师有一个专门课程讲模板,笔记也会更新到那里。模板可以只写一份模板代码,需要生成不同类型的class,编译器会自动生成,具体做法是在类定义最上方加入template ,然后讲所有的double都换成T即可,在初始化的时候,在类的后面使用尖括号,尖括号中放入你想要生成的类型即可。

内联(inline)函数

内联函数和普通函数的区别在于:当编译器处理调用内联函数的语句时,不会将该语句编译成函数调用的指令,而是直接将整个函数体的代码插人调用语句处,就像整个函数体在调用处被重写了一遍一样。是一种空间换取时间的做法,当函数的行数只有几行的时候,应该将函数设置为内联,提高程序整体的运行效率。更加详细的说明可以参考这篇文章. (补充:在类的内部实现的函数编译器会自动变为inline,好像现在新的编译器可以自动对函数进行inline,无需加inline,即使加了编译器也未必真的会把函数变为inline,看编译器的判断)

访问级别

这里上面说过,private内部的函数和成员变量是不能被对象调用的,可以通过public提供的接口对数据进行访问。

函数重载

c++中允许“函数名”相同,但函数参数需要不同(参数后面修饰函数的const也算是参数的一部分),这样可以满足不同类型参数的应用。上述中就有不同的real,不必担心它们名字相同而反正调用混乱,相同函数名和不同参数,编译器编译后的实际名称会不一样,实际调用名并不一样,所以在开始的函数名打了引号。另外,写相同函数名还是要注意一下,比如上面有两个构造函数,当使用complex c1初始化对象时,编译器不知道调用哪一个构造函数,因为两个构造函数都可以不用参数,这就发生冲突了,第二个构造函数是不需要的。

构造函数的位置

一般情况下,构造函数都放在public里面,不然外界无法初始化对象,不过也有例外的,有一种单例设计模式,就将构造函数放入在private里面,通过public静态(static)函数进行生成对象,这个类只能创建一份对象,所以叫单例设计模式

参数传递

参数传递分为两种:pass-by-value和pass-by-reference

一条非常考验你是否受过良好c++训练就是看你是不是用pass-by-reference。传值会分配局部变量,然后将传入的值拷贝到变量中,这既要花费时间又要花费内存,传引用就是传指针,4个字节,要快好多,如果担心传入的值被改变,在引用前加const,如果函数试图改变,就会报错。

返回值传递

与参数传递一样,返回值传引用速度也会很快,但有一点是不能传引用的,如果你想返回的是函数内的局部变量,传引用后,函数所分配的内存清空,引用所指的局部变量也清空了,空指针出现了,这就很危险了。(引用本质上就是指针,主要用在参数传递和返回值传递)

友元

友元函数是类的朋友,被设定为友元的函数可以访问朋友的私有成员,这个函数(do assignment plus)用来做复数加法的具体实现。第一个参数是复数的指针,这个会在this一节中进行说明。

另外还有一种情况很有意思,如下图所示,复数c2可以访问c1的数据,这个也是可以的,这可能让人感到奇怪,侯捷老师说了原因:相同类的各個对象互為友元。所以可以c2可以访问c1的数据。

操作符重载(一),this, cout

上面介绍的__doapl函数将在操作符重载中进行调用,可以看到第一个参数是this,对于成员函数来说,都有一个隐藏参数,那就是this,this是一个指针,指向调用这个函数的对象,而操作符重载一定是作用在左边的对象,所以+=的操作符作用在c2上,所以this指向的是c2这个对象,然后在__doapl函数中修改this指向c2的值。

另外,还记得上面说过<<运算符重载嘛,它作用的不是复数,而是ostream,这是处于使用者习惯的考量,作用复数的话将形成complex<<cout的用法,这样很不习惯,用于ostream就跟平常使用的cout一样,另外,下面这个函数返回的引用,那么就可以构成cout << c2 << c1这种连串打印的程序(与平常的习惯,cout << c2返回的依然是cout的引用,又可以调用<<重载函数,如果不是引用,则会报错,侯捷老师讲到这,真感觉标准库的设计真是厉害。另外,每次向os传入值打印时,os的状态会发生改变,所以os不能加const。上面复数的加法由于返回的是引用,也可以构成c3 += c2 += c1这样的程序。

操作符重载(二)非成员函数,无this,临时对象

由于使用者可能有多种复数的加法,所以要设计不同的函数满足使用者的要求,由于带有其他类型的参数,所以没有放入complex类中,放在外面定义,这里的有一个非常有趣的使用,返回的直接是complex( xx, xx),没见过呢,这个语法是创建一个临时对象,这个临时对象在下一行就消亡了,不过没关系,我们已经把临时对象的值传到返回值了。由于是临时对象,所以返回值不能是引用,必须是值。

好了,complex的相关细节写得差不多,有些没写,上面都提到了,还有些操作符重载,与加法类似,不重复写了。具体参考complex.h,下面进入string类的实现。

Big Three ---string class begin

与complex一样,string类的整个实现分布如上图,右边的是测试的程序。

下面来看看string的缩小版实现:

由于字符串不像复数那样固定大小,而是可大可小,所以在实现string类的时候,私有数据是一个指针,指向动态分配的char数组,这样就可以实现类似动态字符串大小。这个小章节叫big three,这里的big three分别是,拷贝构造(String(const String & str) ),拷贝赋值(String& operator=(const String& str)),以及析构函数( ~String()) 。为什么要有big three,这个马上就会介绍。

构造函数与析构函数

在构造函数中,如果没有传入字符串,则string申请动态分配一个char[1], 指向的就是'\0',也就是空字符,如果传入的是“hello”, 则动态分配“hello”的长度再加一(一代表结束标识符'\0'),都是用string内部的指针指向动态分布的内存的头部。为什么多了一个析构函数呢?在complex类为啥没有呢?这是因为complex中没有进行动态分配内存,在复数死亡后,它所占用的内存全部释放,完全ok,但string类动态分配了内存,这份内存在对象的外部,不释放内存的话,在对象死亡后依然存在,这就造成内存泄漏,所以需要构建一个析构函数,在对象死亡释放动态分配的内存。动态分配使用的时new命令,返回的是分配出来的内存的首地址,释放动态分配内存使用delete命令,如果分配的是数组对象,则需要在delete后加上[],如果是单个,直接delete指向的指针即可。上面就有两种情况的实例。

拷贝构造与拷贝赋值

complex类其实内部存在c++语言自身提供的拷贝构造和拷贝赋值,不需要自己写,因为没有指针的类的数据赋值无非就是值传递,没有变化。但string类不一样,上面的图是很好的例子,因为使用的是动态分配内存,对象a和对象b都指向外面的一块内存,如果直接使用默认的拷贝构造或者拷贝赋值(例如将b = a),则是将b的指针指向a所指的区域,也就是a的动态分配内存的首地址,原来b所指向的内存就悬空了,于是发生内存泄漏,而且两个指针指向同一块内存,也是一个危险行为。所以带有指针的类是不能使用默认的拷贝构造和拷贝赋值的,需要自己写。下面看看怎么写的。

首先是拷贝构造,由于是构造函数一种,跟之前的构造函数一样,需要分配一块内存,大小为要拷贝的string的长度+1,然后使用C语言自带的strcpy进行逐个赋值。

上面这个拷贝赋值,首先检查是不是自我赋值,只要有这种情况发生,就要考虑,自我赋值则直接返回this所指的对象就可以了,如果不是自我赋值,则删除分配的内存,重新分配内存,长度为传入字符串的长度+1,同理使用strcpy函数进行逐个赋值。

自我赋值的检查很重要,没有自我检查,就会发生上面的情况,一运行程序的第一句话,内存就释放了,指针就又悬空了,不确定行为产生。

string剩余一点放到这里面,打印直接调用get_c_str成员函数就可以,返回指针,os会遍历它所指向的内存,打印出字符串,遇到'\0'终止。

生命期——堆,栈,静态,全局

c1 便是所谓stack object,其生命在作用域(scope) 结束之际结束。这种作用域內的object,又称为auto object,因为它会被「自动」清理。p所指的便是heap object,其生命在它被deleted 之际结束,所以要在指针生命结束之前对堆内存进行释放。

上面的c2和c3分别是静态对象和全局对象,作用域为整个程序。以下是它们四个的内存分布,更具体的细节可以参考这篇文章

重探new与delete

可以到使用new命令动态分配内存,主要有以下三步,首先分配要构建对象的内存,返回的是一个空指针,然后对空指针进行转型,转成要生成对象类型初始化给指针,然后指针调用构造函数初始化对象。

可以看到delete操作可以分为两步,首先通过析构函数释放分配的内存,然后通过操作符delete(内部调用free函数)释放对象内存。

探究动态分配过程的内存块

上图中就是vc创建complex类以及string类的内存块图,左边两个是complex类,长的那个是调试(debug)模式下的内存块分布,短的那个是执行(release)模式下的内存块分布,复数有两个double,所以内存占用8个字节,vc调试模式下,调试的信息部分内存占用是上面灰色块的32个字节以及下面灰色块的4个字节,红色的代表内存块的头和尾(叫cookie),占用八个字节,合在一起是52个字节,vc会以16个字节对齐,所以会填充12字节,对应的是pad的部分,另外,为了凸显这是分配出去的内存,所以在头尾部分,用最后一位为1代表该内存分配出去了,为0就是收回来了。执行模式下没有调试信息。string类类似分析。

动态分配array需要注意的问题

上面是动态分配内存,生成complex类的数组以及string类的数组的内存块图,与上面类似,不过这里多了一个长度的字节,都为3,标记对象的个数。

上面说明的是,如果分配的是动态对象数组,就一定要在delete后面加上[]符号,不然就无法完全释放动态分配的内存。array new一定要搭配array delete

part1到此结束。

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