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id: 面对对象
title: 面对对象
sidebar_position: 5
data: 2022年5月26日
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C++ 在 C 语言的基础上增加了面向对象编程，C++ 支持面向对象程序设计。类是 C++ 的核心特性，通常被称为用户定义的类型。

类用于指定对象的形式，它包含了数据表示法和用于处理数据的方法。类中的数据和方法称为类的成员。函数在一个类中被称为类的成员。

## 类

类定义是以关键字 **class** 开头，后跟类的名称。类的主体是包含在一对花括号中。类定义后必须跟着一个分号或一个声明列表。

### 定义

```cpp
class Box
{
   public:
      double length;   // 盒子的长度
      double breadth;  // 盒子的宽度
      double height;   // 盒子的高度
};
```

### 创建

对象 Box1 和 Box2 拥有独立的数据成员。

```cpp
Box Box1;          // 声明 Box1，类型为 Box
Box Box2;          // 声明 Box2，类型为 Box
```

### 实例

类的对象的公共数据成员可以使用直接成员访问运算符 (.) 来访问。

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Box
{
   public:
      double length;   // 长度
      double breadth;  // 宽度
      double height;   // 高度
};

int main( )
{
   Box Box1;        // 声明 Box1，类型为 Box
   Box Box2;        // 声明 Box2，类型为 Box
   double volume = 0.0;     // 用于存储体积

   // box 1 详述
   Box1.height = 5.0; 
   Box1.length = 6.0; 
   Box1.breadth = 7.0;

   // box 2 详述
   Box2.height = 10.0;
   Box2.length = 12.0;
   Box2.breadth = 13.0;

   // box 1 的体积
   volume = Box1.height * Box1.length * Box1.breadth;
   cout << "Box1 的体积：" << volume <<endl;

   // box 2 的体积
   volume = Box2.height * Box2.length * Box2.breadth;
   cout << "Box2 的体积：" << volume <<endl;
   return 0;
}
```

**输出：**

```
Box1 的体积：210
Box2 的体积：1560
```

## 类的详解

### 构造函数

类的构造函数是类的一种特殊的成员函数，它会在**每次创建类的新对象时执行。**

构造函数的名称与类的名称是完全相同的，并且不会返回任何类型，也不会返回 void。构造函数可用于为某些成员变量设置初始值。

如果需要，构造函数也可以带有参数，可以通过重载实现构造函数多元化。

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Line
{
   public:
      void setLength( double len );
      double getLength( void );
      Line();  // 这是构造函数

   private:
      double length;
};

// 成员函数定义，包括构造函数
Line::Line(void)
{
    cout << "Object is being created" << endl;
}

void Line::setLength( double len )
{
    length = len;
}

double Line::getLength( void )
{
    return length;
}
// 程序的主函数
int main( )
{
   Line line;

   // 设置长度
   line.setLength(6.0); 
   cout << "Length of line : " << line.getLength() <<endl;

   return 0;
}
```

#### 初始化列表

假设有一个类 C，具有多个字段 X、Y、Z 等需要进行初始化，同理地，您可以使用上面的语法，只需要在不同的字段使用逗号进行分隔，如下所示：

```cpp
C::C( double a, double b, double c): X(a), Y(b), Z(c)
{
  ....
}
```

**等同于：**

```
C::C( double a, double b, double c)
{
  X = a;
  Y = b;
  Z = c;
}
```

#### 拷贝构造函数

拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，它在创建对象时，是使用同一类中之前创建的对象来初始化新创建的对象。拷贝构造函数通常用于：

- 通过使用另一个同类型的对象来初始化新创建的对象。
- 复制对象把它作为参数传递给函数。
- 复制对象，并从函数返回这个对象。

如果在类中没有定义拷贝构造函数，编译器会自行定义一个。如果类带有指针变量，并有动态内存分配，则它必须有一个拷贝构造函数。拷贝构造函数的最常见形式如下：

```cpp
classname (const classname &obj) {
   // 构造函数的主体
}
```

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Line
{
   public:
      int getLength( void );
      Line( int len );             // 简单的构造函数
      Line( const Line &obj);      // 拷贝构造函数
      ~Line();                     // 析构函数

   private:
      int *ptr;
};

// 成员函数定义，包括构造函数
Line::Line(int len)
{
    cout << "调用构造函数" << endl;
    // 为指针分配内存
    ptr = new int;
    *ptr = len;
}

Line::Line(const Line &obj)
{
    cout << "调用拷贝构造函数并为指针 ptr 分配内存" << endl;
    ptr = new int;
    *ptr = *obj.ptr; // 拷贝值
}

Line::~Line(void)
{
    cout << "释放内存" << endl;
    delete ptr;
}
int Line::getLength( void )
{
    return *ptr;
}

void display(Line obj)
{
   cout << "line 大小 : " << obj.getLength() <<endl;
}

// 程序的主函数
int main( )
{
   Line line(10);

   display(line);

   return 0;
}
```

**输出：**

```
调用构造函数
调用拷贝构造函数并为指针 ptr 分配内存
line 大小 : 10
释放内存
释放内存
```

### 析构函数

类的**析构函数**是类的一种特殊的成员函数，它会在每次删除所创建的对象时执行。

析构函数的名称与类的名称是完全相同的，只是在前面加了个波浪号（~）作为前缀，它不会返回任何值，也不能带有任何参数。析构函数有助于在跳出程序（比如关闭文件、释放内存等）前释放资源。

#### 实例

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Line
{
   public:
      void setLength( double len );
      double getLength( void );
      Line();   // 这是构造函数声明
      ~Line();  // 这是析构函数声明

   private:
      double length;
};

// 成员函数定义，包括构造函数
Line::Line(void)
{
    cout << "Object is being created" << endl;
}
Line::~Line(void)
{
    cout << "Object is being deleted" << endl;
}

void Line::setLength( double len )
{
    length = len;
}

double Line::getLength( void )
{
    return length;
}
// 程序的主函数
int main( )
{
   Line line;

   // 设置长度
   line.setLength(6.0); 
   cout << "Length of line : " << line.getLength() <<endl;

   return 0;
}
```

**输出：**

```
Object is being created
Length of line : 6
Object is being deleted
```

### 访问修饰符

数据封装是面向对象编程的一个重要特点，它防止函数直接访问类类型的内部成员。类成员的访问限制是通过在类主体内部对各个区域标记 **public、private、protected** 来指定的。关键字 **public、private、protected** 称为访问修饰符。

```cpp
class Base {

   public:

  // 公有成员

   protected:

  // 受保护成员

   private:

  // 私有成员

};
```

- **公有（public）成员**：公有成员在程序中类的外部是**可访问的**。
- **私有（private）成员**：私有成员变量或函数在类的外部是**不可访问、查看的**。只有类和友元函数可以访问私有成员。**默认情况下，类的所有成员都是私有的。**
- **保护（protected）成员**：保护成员变量或函数与私有成员十分相似，但有一点不同，保护成员在派生类（即子类）中是可访问的。

#### 继承中的特点

有 public, protected, private 三种继承方式，它们相应地改变了基类成员的访问属性。

**public 继承：**

| 基类   | public | protected | private |
| ------ | ------ | --------- | ------- |
| 派生类 | 可     | 可        | 不可    |
| 类外   | 可     | 不可      | 不可    |

**protected 继承：**

| 基类   | public | protected | private |
| ------ | ------ | --------- | ------- |
| 派生类 | 可     | 可        | 不可    |
| 类外   | 不可   | 不可      | 不可    |

**private 继承：**

| 基类   | public | protected | private |
| ------ | ------ | --------- | ------- |
| 派生类 | 可     | 可        | 不可    |
| 类外   | 不可   | 不可      | 不可    |

无论哪种继承方式，有两点都没有改变：

- private 成员只能被本类成员（类内）和友元访问，不能被派生类访问；
- protected 成员可以被派生类访问。

### 成员函数

类的成员函数是指那些把定义和原型写在类定义内部的函数，就像类定义中的其他变量一样。类成员函数是类的一个成员，它可以操作类的任意对象，可以访问对象中的所有成员。

```cpp
class Box
{
   public:
      double length;      // 长度
      double breadth;     // 宽度
      double height;      // 高度

      double getVolume(void)
      {
         return length * breadth * height;
      }
};
```

在类的内部声明函数后，可以在类的外部使用**范围解析运算符 ::** 定义该函数，在 **::** 运算符之前必须使用类名。

```cpp
class Box
{
   public:
      double length;      // 长度
      double breadth;     // 宽度
      double height;      // 高度

      double getVolume(void);// 必须在类的内部声明函数
};

double Box::getVolume(void)
{
    return length * breadth * height;
}
```

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Box
{
   public:
      double length;         // 长度
      double breadth;        // 宽度
      double height;         // 高度

      double getVolume(void)
      {
          return length * breadth * height;
      }
    
      // 成员函数声明
      void setLength( double len );
      void setBreadth( double bre );
      void setHeight( double hei );
};

// 成员函数定义
void Box::setLength( double len )
{
    length = len;
}

void Box::setBreadth( double bre )
{
    breadth = bre;
}

void Box::setHeight( double hei )
{
    height = hei;
}

// 程序的主函数
int main( )
{
   Box Box1;                // 声明 Box1，类型为 Box
   Box Box2;                // 声明 Box2，类型为 Box
   double volume = 0.0;     // 用于存储体积

   // box 1 详述
   Box1.setLength(6.0); 
   Box1.setBreadth(7.0); 
   Box1.setHeight(5.0);

   // box 2 详述
   Box2.setLength(12.0); 
   Box2.setBreadth(13.0); 
   Box2.setHeight(10.0);

   // box 1 的体积
   volume = Box1.getVolume();
   cout << "Box1 的体积：" << volume <<endl;

   // box 2 的体积
   volume = Box2.getVolume();
   cout << "Box2 的体积：" << volume <<endl;
   return 0;
}
```

**输出：**

```cpp
Box1 的体积： 210
Box2 的体积： 1560
```

### 友元函数

类的友元函数是定义在类外部，但有权访问类的所有私有（private）成员和保护（protected）成员。尽管友元函数的原型有在类的定义中出现过，但是**友元函数并不是成员函数。**

**友元可以是一个函数，该函数被称为友元函数；友元也可以是一个类，该类被称为友元类**，在这种情况下，整个类及其所有成员都是友元。

```cpp
class Box
{
   double width;
public:
   double length;
   friend void printWidth( Box box ); // 友元函数
   friend class ClassTwo; // 友元类
   void setWidth( double wid );
};
```

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Box
{
   double width;
public:
   friend void printWidth( Box box );
   void setWidth( double wid );
};

// 成员函数定义
void Box::setWidth( double wid )
{
    width = wid;
}

// 请注意：printWidth() 不是任何类的成员函数
void printWidth( Box box )
{
   /* 因为 printWidth() 是 Box 的友元，它可以直接访问该类的任何成员 */
   cout << "Width of box : " << box.width <<endl;
}

// 程序的主函数
int main( )
{
   Box box;

   // 使用成员函数设置宽度
   box.setWidth(10.0);

   // 使用友元函数输出宽度
   printWidth( box );

   return 0;
}
```

**输出：**

```
Width of box : 10
```

### 内联函数

C++ **内联函数**是通常与类一起使用。如果一个函数是内联的，那么在编译时，编译器会把该函数的代码副本放置在每个调用该函数的地方。

内联的主要不同是：它会复制源函数代码到调用的位置，而不像普通函数一样进行现场保护、跳转执行然后恢复现场等操作，可以使程序效率提高，比较典型的空间换取时间的思路。

如果想把一个函数定义为内联函数，则需要在函数名前面放置关键字 **inline**，在调用函数之前需要对函数进行定义。

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

inline int Max(int x, int y)
{
   return (x > y)? x : y;
}

// 程序的主函数
int main( )
{

   cout << "Max (20,10): " << Max(20,10) << endl;
   cout << "Max (0,200): " << Max(0,200) << endl;
   cout << "Max (100,1010): " << Max(100,1010) << endl;
   return 0;
}
```

**输出：**

```cpp
Max (20,10): 20
Max (0,200): 200
Max (100,1010): 1010
```

### 静态成员

可以使用 **static** 关键字来把类成员定义为静态的。当我们声明类的成员为静态时，这意味着无论创建多少个类的对象，静态成员都只有一个副本。

静态成员在类的所有对象中是共享的。如果不存在其他的初始化语句，在创建第一个对象时，所有的静态数据都会被初始化为零。我们不能把静态成员的初始化放置在类的定义中，但是可以在类的外部通过使用范围解析运算符 **::** 来重新声明静态变量从而对它进行初始化，如下面的实例所示。

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Box
{
   public:
      static int objectCount;
      // 构造函数定义
      Box(double l=2.0, double b=2.0, double h=2.0)
      {
         cout <<"Constructor called." << endl;
         length = l;
         breadth = b;
         height = h;
         // 每次创建对象时增加 1
         objectCount++;
      }
      double Volume()
      {
         return length * breadth * height;
      }
   private:
      double length;     // 长度
      double breadth;    // 宽度
      double height;     // 高度
};

// 初始化类 Box 的静态成员
int Box::objectCount = 0;

int main(void)
{
   Box Box1(3.3, 1.2, 1.5);    // 声明 box1
   Box Box2(8.5, 6.0, 2.0);    // 声明 box2

   // 输出对象的总数
   cout << "Total objects: " << Box::objectCount << endl;

   return 0;
}
```

**输出：**

```
Constructor called.
Constructor called.
Total objects: 2
```

### 静态成员函数

如果把函数成员声明为静态的，就可以把函数与类的任何特定对象独立开来。静态成员函数即使在类对象不存在的情况下也能被调用，**静态函数**只要使用类名加范围解析运算符 **::** 就可以访问。

静态成员函数只能访问静态成员数据、其他静态成员函数和类外部的其他函数。

静态成员函数有一个类范围，他们不能访问类的 this 指针。您可以使用静态成员函数来判断类的某些对象是否已被创建。

**静态成员函数与普通成员函数的区别：**

- 静态成员函数没有 this 指针，只能访问静态成员（包括静态成员变量和静态成员函数）。

- 普通成员函数有 this 指针，可以访问类中的任意成员；而静态成员函数没有 this 指针。

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Box
{
   public:
      static int objectCount;
      // 构造函数定义
      Box(double l=2.0, double b=2.0, double h=2.0)
      {
         cout <<"Constructor called." << endl;
         length = l;
         breadth = b;
         height = h;
         // 每次创建对象时增加 1
         objectCount++;
      }
      double Volume()
      {
         return length * breadth * height;
      }
      static int getCount()
      {
         return objectCount;
      }
   private:
      double length;     // 长度
      double breadth;    // 宽度
      double height;     // 高度
};

// 初始化类 Box 的静态成员
int Box::objectCount = 0;

int main(void)
{

   // 在创建对象之前输出对象的总数
   cout << "Inital Stage Count: " << Box::getCount() << endl;

   Box Box1(3.3, 1.2, 1.5);    // 声明 box1
   Box Box2(8.5, 6.0, 2.0);    // 声明 box2

   // 在创建对象之后输出对象的总数
   cout << "Final Stage Count: " << Box::getCount() << endl;

   return 0;
}
```

**输出：**

```
Inital Stage Count: 0
Constructor called.
Constructor called.
Final Stage Count: 2
```

### this 指针

在 C++ 中，每一个对象都能通过 **this** 指针来访问自己的地址。**this** 指针是所有成员函数的隐含参数。因此，在成员函数内部，它可以用来指向调用对象。

友元函数没有 **this** 指针，因为友元不是类的成员。只有成员函数才有 **this** 指针。

```cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Box
{
   public:
      // 构造函数定义
      Box(double l=2.0, double b=2.0, double h=2.0)
      {
         cout <<"Constructor called." << endl;
         length = l;
         breadth = b;
         height = h;
      }
      double Volume()
      {
         return length * breadth * height;
      }
      int compare(Box box)
      {
         return this->Volume() > box.Volume();
      }
   private:
      double length;     // Length of a box
      double breadth;    // Breadth of a box
      double height;     // Height of a box
};

int main(void)
{
   Box Box1(3.3, 1.2, 1.5);    // Declare box1
   Box Box2(8.5, 6.0, 2.0);    // Declare box2

   if(Box1.compare(Box2))
   {
      cout << "Box2 is smaller than Box1" <<endl;
   }
   else
   {
      cout << "Box2 is equal to or larger than Box1" <<endl;
   }
   return 0;
}
```

**输出：**

```
Constructor called.
Constructor called.
Box2 is equal to or larger than Box1
```

### 指向类的指针