C++初阶 | [三] 类和对象（中）

摘要：类的6个默认成员函数，日期类

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。然而，空类并不是什么成员都没有，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成6个默认成员函数。默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

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(ps.下文中标题右上角有数字标识的为6个默认成员函数的内容，以示区分) 

1. 构造函数_Constructor¹

构造函数：创建对象？❌ → 初始化 ✔

features

  1. 函数名同类名相同
  2. 没有返回值（void）
  3. 对象实例化时编译器自动调用80ed5ff83b004172babc0c305b56a511.gif
  4. 可以实现重载
  5. 构造函数不写编译器会默认生成

注意 warning：

  • 无参和全缺省会存在歧义，调用的时候不明确，建议实现全缺省构造函数。1f07bc9e33f04cf19bada572c98efdb7.png
  • 调用无参构造函数时，不要加括号，这样写同样会引起歧义，编译器分不清是对象还是函数声明 （ e.g.Date d2();  函数声明——Type function_name(parameter list(可为空))。
  • 构造函数不可以显式调用！

默认构造函数：可以不用传参的构造函数（包括自己没有显式写构造函数而编译器自动生成的，默认构造函数有且只有一个）即无参或全缺省构造函数。

自动生成的构造函数

  1. 自己不写编译器才会自动生成，写了编译器就不会再自动生成其他构造函数。
  2. 自动生成的构造函数对 内置类型 不做处理（对于自定义类型会因具体的编译器而异，语法上规定不做处理，但可能有的编译器会处理），针对这个内置类型不处理的问题，C++11支持在声明处给缺省值，其他地方都没有给初始化值就会用缺省值初始化。（注意：所有的指针都是内置类型，自定义类型的指针也是内置类型！）b6efd991cb4d47c9b168ce90f5b30f7f.png
  3. 对于 自定义类型 会自动调用其自己的默认构造函数。3e9749743fb945fb8dcbfbb74ac73635.png

sum.真正便捷的是自动调用 

2. 析构函数_Destructor²

析构函数：销毁对象?❌(出作用域生命结束编译器自动销毁) → 完成对象中的资源清理工作 ✔

features

  1. 函数名为：~类名
  2. 没有返回值（void），没有参数
  3. 有且只有一个，不可重载（都没有参数肯定无法构成函数重载）
  4. 对象生命周期结束自动调用，调用顺序遵循栈后进先出的原则，即后定义的先析构
  5. 同构造函数一样，自己不写编译器会自动生成

什么情况下需要自己写析构函数？

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3. 拷贝构造_Copy Constructor³

（注：拷贝构造函数也是构造函数）

值拷贝/浅拷贝

值拷贝：将数据内容完全一样地拷贝一份。但在有些场景中，值拷贝会导致一些问题，如下图所示。

如何解决两次调用析构函数的问题？

  1. 传值传参 → 传引用传参
  2. 实现拷贝构造函数实现深拷贝，如下图（传值传参时，对于自定义类型会调用拷贝构造函数）

features

  1. 拷贝构造是构造函数的一个函数重载——函数名为类名，没有返回值。
  2. 拷贝构造参数必须传引用传参（这里的引用推荐加 const 以免将要被拷贝的对象被修改）。否则会导致无穷调用：调用拷贝构造函数 → 传值传参 → 值拷贝 → 调用拷贝构造 →…（示例如下图）

 正确的拷贝构造函数示例：

class Date
{
public:
	Date(const int year = 1, const int month = 1, const int day = 1)//全缺省构造函数
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	Date(const Date& d)//copy constructor
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

自动生成的默认拷贝构造

  1. 对于 内置类型 值拷贝（例如对于上述日期类不用自己写拷贝构造，值拷贝已经能够满足需求）
  2. 对于 自定义类型 自动调用拷贝构造函数

4.操作符重载_operator

class Date
{
public:
	Date(const int year = 1, const int month = 1, const int day = 1)//全缺省构造函数
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	bool operator<(const Date& d)//操作符重载
	{
		if (_year < d._year)
			return true;
		else if (_year == d._day && _month < d._month)
			return true;
		else if (_year == d._day && _month == d._month && _day < d._day)
			return true;
		else
			return false;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2022, 2, 3);
	Date d2(2022, 1, 4);

	cout << (d1 < d2)<<endl;

	return 0;
}

注：上述代码中 d1<d2 → d1.operator<(d2)  (编译器会自动转化为这样显式的调用，所以这与调用其他成员函数是一样的)，隐藏的参数 this指针 指向该重载操作符的左操作数 d1，传递的参数 d2 为右操作数。

Rules

  1. 不能创造原本没有的操作符。（e.g.operator@）
  2. 参数中必须有一个自定义类型。
  3. 不能改变操作符原本的含义。
  4. 对于成员函数，第一个参数为 this 指针。即 this 指针所指向的对象一定是操作符的左操作数。
  5. 5个不能重载的操作符：::     ?:    .*   sizeof    .

A major design goal of C++ is to let programmers define their own types that are as easy to use as the built-in types.

——《C++ Primer》

操作符重载使得使用自定义类型就像使用内置类型一样便捷。 

5.class Date

1）成员函数声明和定义分离：

类内声明，内外定义。

  1. 缺省值应在函数声明时给出，定义处不能再次定义缺省值，会引发重定义错误。
  2. 定义成员函数要指明类域（在返回值类型之后，函数名之前）——Type classname::function_name(parameter list)

2）constructor：

  • 注意检查日期是否合法（传参可能传递非法日期 ）→ 年份没有限制，月份必须在 [1,12] 的区间内，日期受到年份(闰年)和月份的限制。

（下述代码补充说明：GetMonthDay 函数中的 array 用 static 修饰是因为考虑到会频繁调用该函数，导致频繁开辟 array 空间，所以选择将 array 的数据放置在静态区，减少重复开空间，warning：不要对该数组里的数据进行修改！数据存储在静态区，每次调用该函数，修改的行为会被不断累积！！出于这样的考虑，array 可以加 const 保护）

int GetMonthDay(const int year, const int month)
{
	static int array[13] = { 0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 };
	if (month == 2)
	{
		if (((year % 100 != 0) && (year % 4 == 0)) || (year % 400 == 0))
			///++array[2];//error!!!!!!!!!!!!!
            return 29;
	}
	return array[month];
}

Date::Date(const int year, const int month, const int day)
{
	if (month <= 12 && day <= GetMonthDay(month))
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	else
	{
		_year = _month = _day = 0;
		cout << "日期非法" << endl;
	}
}

3）赋值重载_operator=⁴

①赋值与拷贝构造的区别：

赋值重载：将一个变量中的数据 赋 给另一个变量

拷贝构造：用一个已经存在的对象来创建一个新的对象（构造函数主要是完成初始化工作，定义一个自定义类型的变量时会自动调用构造函数！）

②连续赋值

赋值的结果返回Date对象（推荐传引用返回）

③ 自己给自己赋值

自己给自己赋值，即 this 指针与传引用传参的参数表示的是同一个存储空间，所以不用继续进行赋值直接返回。综合上述所说，示例代码如下：

const Date& Date::operator=(const Date& d)
{
	if (this == &d)
		return *this;

	_year = d._year;
	_month = d._month;
	_day = d._day;
	return d;
}

④自动生成默认赋值重载函数 

同构造函数和析构函数一样，自己不写会自动生成。自动生成的默认赋值重载函数会完成值拷贝。对于日期类，值拷贝已经可以满足需求，因此可以不用自己写赋值重载函数。

4）其他常用操作符重载：

①+= 与 +

  1. 复用的问题：①operator+ 复用 operator+= 两次调用拷贝构造；②operator+= 复用 operator+ 四次调用拷贝构造，一次赋值。所以选择operator+ 复用 operator+= 更好。
  2.  += 负数：注意传参可能为负值的情况
  3.  处理月份的注意：月份是从 [1,12] 的循环

示例代码：

Date& Date::operator+=(int days)
{
	if (day < 0)
		return ((*this) -= -day);

	_day += days;
	int _month_max_day = GetMonthDay(_year, _month);
	while (_day > _month_max_day)
	{
		_day -= _month_max_day;

		//处理月份
		++_month;
		if (_month > 12)
		{
			++_year;
			_month = 1;
		}

		//更新月最大天数
		_month_max_day = GetMonthDay(_year, _month);

	}
	return *this;
}

Date Date::operator+(const int days) const
{
	Date tmp(*this);
	tmp += days;
	return tmp;
}

②前置++ 与 后置++

后置++ 的操作符重载中，语法规定通过参数 int 与前置++构成函数重载，int 只是用来占位，具体传什么内容由编译器处理。例如如下代码的函数声明：（再次提醒只是返回值不同不能构成函数重载）

Date& operator++();//前置++
Date operator++(int);//后置++

5）日期 - 日期 运算

  • 方式一：直接算
  • 方式二：让 小日期++ 直到 等于 大日期，++多少次就相差多少天（其中要用到比较大小的操作符，关于这些操作符的重载在本文第4部分——操作符重载——有一处示例，实现其中一个操作符，其他可以复用，思路简单，在此不多做赘述。以下提供一个实现日期相减的函数示例） 
    int Date::operator-(const Date& d) const
{
	int count = 0, flag = 1;
	Date Max_date = *this;
	Date Min_date = d;
	if (d > *this)
	{
		flag = -1;
		Max_date = d;
		Min_date = *this;
	}
	while (Min_date < Max_date)
	{
		++count;
		++Min_date;
	}
	return count*flag;
}

6. const 对象

在 C++ 入门一文中在介绍常引用(const 引用)时，讨论了关于权限放大的问题，同样，对于 const对象 来说，它们无法调用 非const成员函数——因为会导致权限放大的问题。

 由上图不难看出，一个函数 const 版本和 非const版本 可以构成函数重载——参数类型不同，this指针的类型分别是 const Type* const 和 Type* const (例如，对于operator[]的操作符重载就很有必要实现 const 和 非const 两个版本)

  • 建议：不做修改的成员函数都加 const 修饰，注意互相复用的函数之间会相互影响！

7. 取地址重载⁵ 及 const 对象取地址⁶

这两个默认成员函数一般不用重新定义 ，编译器默认会生成。这两个运算符一般不需要重载，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需要重载，比如想让别人获取到指定的内容！

class Date
{
public:
	const Date* operator&()const
	{
		return nullptr;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

 8. 补充：流插入和流提取操作符重载

 以上，我们可以了解到，流提取 >> 的左操作数为 cin —— 一个类型为 istream 的对象，右操作数为一个内置类型的变量，同理，流插入 << 的左操作数为 cout —— 一个类型为 ostream 的对象，右操作数为一个内置类型的变量。

接下来，我们尝试对日期类的对象实现流插入和流提取的操作符重载（以流提取 >> 为例，流插入同理）：因为日期类的成员变量私有，在类外无法访问，所以我们尝试在类内实现。同时，考虑到连续流插入/流提取，返回值类型应为ostream/istream。如下代码。

class Date
{
public:  
    ostream& operator<<(ostream& out)
    {
	    out << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	    return out;
    }
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

在上述代码中， 可以看到，第一个参数为 隐藏的this指针 ，第二个参数为 ostream对象的引用。则调用该函数即为：d(Type:Date)<<cout(Type:ostream)，显然，这样的实现是符合该操作符原本的使用习惯的，在类内实现第一个参数必为 隐藏的this指针，所以考虑在类外实现该函数，为了能够访问内部成员变量，需要用到友元声明（详见类和对象下）。

class Date
{
public:
	friend ostream& operator<<(ostream& out, Date d);

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


ostream& operator<<(ostream& out, Date d)
{
	out << d._year << "/" << d._month << "/" << d._day << endl;
	return out;
}

cin/cout 的意义：针对自定义类型可以实现重载（scanf/printf 不能很好地支持自定义类型）；能够自动识别类型（例如对于 printf 函数如果数据类型改变，相应地也要改变打印格式）

END

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