【C++】类和对象终篇
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1. 前言
在上一篇博客中提到了类和对象中的构造函数与static成员 【C++】类和对象之初始化列表与static成员，接下来一起看看类和对象中的友元。
2. 友元
友元提供了一种突破封装的方式，有时提供了便利。但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以友元不宜多用。 友元分为：友元函数和友元类
2.1 友元函数
问题：现在尝试去重载operator<<，然后发现没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以要将operator<<重载成全局函数。但又会导致类外没办法访问成员，此时就需要友元来解决。operator>>同理。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
// d1 << cout; -> d1.operator<<(&d1, cout); 不符合常规调用
// 因为成员函数第一个参数一定是隐藏的this，所以d1必须放在<<的左侧
ostream& operator<<(ostream& _cout)
{
_cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在类的内部声明，声明时需要加friend关键字。
class Date
{
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& _cin, Date& d);
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, Date& d)
{
_cin >> d._year;
_cin >> d._month;
_cin >> d._day;
return _cin;
}
int main()
{
Date d;
cin >> d;
cout << d << endl;
return 0;
}
说明：
- 友元函数可访问类的私有和保护成员，但不是类的成员函数
- 友元函数不能用const修饰
- 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制
- 一个函数可以是多个类的友元函数
- 友元函数的调用与普通函数的调用原理相同
2.2 友元类
友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的非公有成员。
- 友元关系是单向的，不具有交换性。 比如上述Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友元类，那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量，但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行。
- 友元关系不能传递 如果C是B的友元， B是A的友元，则不能说明C时A的友元。
- 友元关系不能继承，在继承位置再给大家详细介绍。
举个例子：声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量。
class Time
{
friend class Date; // 声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
public:
Time(int hour = 0, int minute = 0, int second = 0)
: _hour(hour)
, _minute(minute)
, _second(second)
{}
private:
int _hour;
int _minute;
int _second;
};
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{
_t._minute++;
}
void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
{
// 直接访问时间类私有的成员变量
_t._hour = hour;
_t._minute = minute;
_t._second = second;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
Time _t;
};在Date里面要访问Time，Date是Time的友元，但是Time是不能访问Date的。但是Time是想要访问Date的，可以在Date里面声明Time，让Date和Time互为友元。
是类似像在Time中有含Date类的函数，但是在这里是不能用的，因为在还没有声明Date和Time互为友元，就在Time里面用了Date。 这里事先定义和声明分离。
一般情况下，类的友元关系是单向的，不需要互为友元。
3. 内部类
概念：**如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。**内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去访问内部类的成员。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。
注意：内部类就是外部类的友元类，参见友元类的定义，内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。 特性：
- 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
- 注意内部类可以直接访问外部类中的static成员，不需要外部类的对象/类名。
- sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。
举个例子：像下面这样的代码中A有多大？
class A
{
public:
class B
{
private:
int _b1;
};
private:
int _a1;
int _a2;
};
int main()
{
cout << sizeof(A) << endl;
return 0;
}
为什么大小是8？ 从内存的角度类不占用空间，类只是一个声明。类被编译器编译之后，只会看到类的对象和类的函数，类是不占用空间的。 这样定义只会是B这个类受A类的类域的限制。所以它里面就是它自己的成员，没有B的成员。
如果在定义一个B类对象，定义变不了，不仅仅受到类域的限制，还受到访问界定符的限制。
改为这样就行。
如果定义为私有的。
内部类天生就是外部类的友元类
但外部类不能访问内部类。
总之： 1、内部类受到类域的限制 2、内部类天生就是外部类的友元类
4. 匿名对象
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "A(int a)" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a;
};
class Solution {
public:
int func(int n) {
cout << "int func(int n)" << endl;
return n;
}
};
int main()
{
// 有名对象
A aa1;
A aa2(10);
// 匿名对象
A();
A(10);
return 0;
}这里就创建了4个对象：
C++中下面这样的被称为有名对象。
像下面这样的就叫做匿名对象。
匿名对象的特点是：生命周期只在当前一行。 与之前定义的对象不同，之前定义的对象生命周期是在当前作用域。
但是他的生命周期只有这一行，我们可以看到下一行他就会自动调用析构函数。 即用即销毁
那么它有什么用呢？ 举个例子：在OJ里面会有：
class Solution {
public:
int func(int n) {
cout << "int func(int n)" << endl;
//...
return n;
}
};要调用这个函数，一般得先取个名字，再调用：
可以考虑用匿名对象，那么就是这样。 像有点地方就传个参，定义一个匿名对象会比较好。 匿名对象就是为了让一些地方更方便。
5. 拷贝对象时的一些编译器优化
这个部分了解一下就可以。
在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝，这个在一些场景下还是非常有用的。
编译器对于构造的一些优化： 一个是： 构造+拷贝 还有一个是：拷贝构造+拷贝构造 优化的结果就是合二为一。
来看看下面的代码：
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "A(int a)" << endl;
}
A(const A& aa)
:_a(aa._a)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
}
A& operator=(const A& aa)
{
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
if (this != &aa)
{
_a = aa._a;
}
return *this;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a;
};
void f1(A aa)
{}
void f2(const A& aa)
{}
int main()
{
A aa1 = 2; // 构造 + 拷贝构造 -》 直接构造
const A& aa2 = 2;
f1(aa1);
f1(A(2)); // 构造 + 拷贝构造 -》 直接构造
f2(aa1);
return 0;
}
但是const A& aa2 = 2;就没有办法优化。
这里有类型转换，会产生临时变量，这里引用是临时变量。
------------------------------------------------------------------------
这里要拷贝构造：
如果定义一个匿名对象来传： 构造一个再拷贝构造，直接优化为直接构造
如果不想让这里的拷贝构造发生，那么就传引用：
在之前老编译器上可能不会优化，所以并不是每个编译器都会优化，没有优化也是正常的。
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "A(int a)" << endl;
}
A(const A& aa)
:_a(aa._a)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
}
A& operator=(const A& aa)
{
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
if (this != &aa)
{
_a = aa._a;
}
return *this;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a;
};
void f1(A aa)
{}
void f2(const A& aa)
{}
A f3()
{
A aa;
return aa;
}
int main()
{
f3();
A ret = f3();
return 0;
}
正常情况下f3()是一个构造一个拷贝构造。 这里是传值返回，不会把aa作为值返回，它会拷贝构造一个再返回。
在不优化时：
如果优化的话，是和f3()是一样的。
aa直接构造ret，那么它是怎么构造的呢？ 在函数f3()结束之前，用aa直接构造ret。 在函数栈帧里面，在main函数，在f3()结束之前，用aa拷贝构造，不要临时对象了，直接用aa直接构造ret，然后函数再结束。
A f3()
{
A aa;
return aa;
}
A f4()
{
return A();
}
int main()
{
A ret = f4();
return 0;
}这里是一个构造加一个拷贝构造加一个拷贝构造。这里合三为一。 在f4没有结束之前直接去构造ret。
而这个是两个构造加赋值，没有拷贝构造
6. 再次理解类和对象
现实生活中的实体计算机并不认识，计算机只认识二进制格式的数据。如果想要让计算机认识现实生活中的实体，用户必须通过某种面向对象的语言，对实体进行描述，然后通过编写程序，创建对象后计算机才可以认识。比如想要让计算机认识洗衣机，就需要：
- 用户先要对现实中洗衣机实体进行抽象—即在人为思想层面对洗衣机进行认识，洗衣机有什么属性，有那些功能，即对洗衣机进行抽象认知的一个过程
- 经过1之后，在人的头脑中已经对洗衣机有了一个清醒的认识，只不过此时计算机还不清楚，想要让计算机识别人想象中的洗衣机，就需要人通过某种面相对象的语言(比如：C++、Java、Python等)将洗衣机用类来进行描述，并输入到计算机中
- 经过2之后，在计算机中就有了一个洗衣机类，但是洗衣机类只是站在计算机的角度对洗衣机对象进行描述的，通过洗衣机类，可以实例化出一个个具体的洗衣机对象，此时计算机才能洗衣机是什么东西。
- 用户就可以借助计算机中洗衣机对象，来模拟现实中的洗衣机实体了。
在类和对象阶段，大家一定要体会到，类是对某一类实体(对象)来进行描述的，描述该对象具有那些属性，那些方法，描述完成后就形成了一种新的自定义类型，才用该自定义类型就可以实例化具体的对象。
有问题请指出，大家一起进步！！！