【C++修行之道】类和对象（五）日期类的实现、const成员、取地址及const和取地址操作符重载

一、日期类的实现

Date.h

1.1 GetMonthDay函数（获取某年某月的天数）

问：这个函数为什么不和其他的函数一样放在Date.cpp文件中实现呢？

1.2 CheckDate函数（检查日期有效性）、Print函数（打印日期）

1.3 实现日期类的逻辑运算符重载

<运算符的重载

==运算符重载

其他运算符重载

1.4 日期与天数加减操作符重载

1.5 日期相减时的操作符重载

1.6 前置运算符和后置运算符实现的区别

前置运算符的语义是“先操作，再返回”。

后置运算符的语义是“先返回，再操作”。

1.7 输入输出流重载

为什么参数顺序为(ostream& out, const Date& d)?

二、const成员

请思考下面的几个问题：

1. const对象可以调用非const成员函数吗？

2. 非const对象可以调用const成员函数吗？

3. const成员函数内可以调用其它的非const成员函数吗？

4. 非const成员函数内可以调用其它的const成员函数吗？

三、取地址及const取地址操作符重载

一、日期类的实现

Date.h

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<math.h>
#include<time.h>
#include<iostream>
#include<assert.h>

using namespace std;

class Date {

	// 友元函数声明
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);

public:

	// 全缺省的构造函数
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1);
	void Print() const;

	// 直接定义在类中，他默认是inline
	// 频繁调用
	// 获取某年某月的天数
	int GetMonthDay(int year, int month)
	{
		assert(month > 0 && month < 13);

		static int monthDayArray[13] = { -1,31,28,31,30,31,30,31,30,31,31,30,31 };
		if ((month == 2) && (year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0))
			return 29;
		else
		{
			return monthDayArray[month];
		}
		return monthDayArray[month];
	}

	bool CheckDate();

	// 不使用引用修改成员的都能加上 const
	bool operator<(const Date& d) const;
	bool operator<=(const Date& d) const;
	bool operator>(const Date& d) const;
	bool operator>=(const Date& d) const;
	bool operator==(const Date& d) const;
	bool operator!=(const Date& d) const;

	// 赋值运算符重载
	// d2 = d3 -> d2.operator=(&d2, d3)
	//Date& operator=(const Date& d);

	// d1 += 100
	// 日期+=天数
	Date& operator+=(int day);

	// d1 + 100
	// 日期+天数
	Date operator+(int day) const;


	// d1 -= 100
	// 日期-=天数
	Date& operator-=(int day);

	// d1 - 100;
	// 日期-天数
	 Date operator-(int day) const;

	// d1 - d2
	// 日期-日期 返回天数
	int operator-(const Date& d) const;

	// ++d1
	Date& operator++();

	// d1++ -> d1.operator(1)
	// 为了区分,构成了重载,给后置++,强行增加了一个int形参
	// 这里不需要写形参名,因为接收值是多少不中呀,也不需要调用
	// 这个参数仅仅是为了前缀和后缀区分而存在的
	Date operator++(int);

	// --d1
	Date& operator--();

	// d1--
	Date operator--(int);

	 流插入
	//void operator<<(ostream& out);
	// 不建议, 因为Date* this占据了一个参数位置, 使用d<<cout不符合习惯
	

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

// 重载
ostream& operator<<(ostream & out, const Date & d);
istream& operator>>(istream& in, Date& d);

1.1 GetMonthDay函数（获取某年某月的天数）

// 获取某年某月的天数 
int GetMonthDay(int year, int month)  
{  
    // 断言：确保传入的月份是有效的  
    assert(month > 0 && month < 13);  
  
    // 存储了每个月通常的天数  
    static int monthDayArray[13] = { -1, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 };  
  
    // 闰年检查：如果月份是2月，并且年份是闰年，则返回29天  
    if (month == 2 && ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0))) {  
        return 29;  
    }  
    // 如果不是2月或年份不是闰年，返回静态数组中存储的对应月份的天数  
    else {  
        return monthDayArray[month];  
    }  
}

问：这个函数为什么不和其他的函数一样放在Date.cpp文件中实现呢？

内联函数的优化：在类定义中直接实现的成员函数默认为内联函数（inline）。内联函数通常用于减少函数调用的开销，因为它们在编译时会被“内联”到调用它们的代码中。GetMonthDay 函数可能预计会被频繁调用，这对于小型、频繁调用的函数特别有益，可以提高程序的执行效率。

1.2 CheckDate函数（检查日期有效性）、Print函数（打印日期）

bool Date::CheckDate()
{
	if (_month < 1 || _month > 12 // 检查_month成员变量是否小于1或大于12
    || _day < 1 || _day > GetMonthDay(_year, _month))
    // 检查_day成员变量是否小于1
    // 调用GetMonthDay(_year, _month)获取当前年份和月份对应的天数，并检查_day是否大于这个值 
	{
		return false;
	}
	else
	{
		return true;
	}
}

// Date类的构造函数，用于初始化Date对象
Date::Date(int year, int month, int day)
{
	_year = year;
	_month = month;
	_day = day;
    
    // 调用CheckDate函数检查日期是否合法
	if (!CheckDate())
	{
		cout << "日期非法" << endl;
	}
}

// 打印日期
void Date::Print() const
{
	cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << "\n";
}

1.3 实现日期类的逻辑运算符重载

只需实现两个运算符，就能借助这两个运算符去简易的实现其他运算符。

<运算符的重载

// d1 < d2
bool Date::operator<(const Date& d) const
{
	if (_year < d._year)
		return true;
	else if (_year == d._year)
	{
		if (_month < d._month)
			return true;
		else if (_month < d._month)
		{
			return _day < d._day;
		}
	}
	return false;
}

==运算符重载

// d1 == d2
bool Date::operator==(const Date& d) const
{
	return _year == d._year
		&& _month == d._month
		&& _day == d._day;
}

其他运算符重载

// d1 <= d2
bool Date::operator<=(const Date& d) const
{
	return *this < d || *this == d;
}

bool Date::operator>(const Date& d) const
{
	return !(*this <= d);
}

bool Date::operator>=(const Date& d) const
{
	return !(*this < d);
}

bool Date::operator!=(const Date& d) const
{
	return !(*this == d);
}

1.4 日期与天数加减操作符重载

// d1 += day
Date& Date::operator+=(int day) 
{
	_day += day;
	while (_day > GetMonthDay(_year, _month))
		// 进位
	{
		_day -= GetMonthDay(_year, _month);
		++_month;
		if (_month == 13)
		{
			++_year;
			_month = 1;
		}
	}
	return *this;
}

// 1970以后
// d1 -= 100
Date& Date::operator-=(int day)
{
	if (day < 0)
	{
		return *this += -day;
	}

	_day -= day;
	while (_day <= 0)// 借位
	{
		--_month;
		if (_month == 0)
		{
			_month = 12;
			_year--;
		}

		//借上一个月的天数
		_day += GetMonthDay(_year, _month);
	}

	return *this;
}

+= 和 -= 是复合赋值运算符。
功能：复合运算符直接修改调用它们的对象。在Date类的上下文中，+= 运算符将指定的天数加到当前日期上，并直接修改该日期对象。同样，-= 运算符从当前日期中减去指定的天数。
效率：由于不需要创建新对象，复合运算符在性能上可能更高效，特别是在需要频繁更新日期的场景中。

Date Date::operator-(int day) const
{
	Date tmp = *this;
	tmp -= day;
	return tmp;
}

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

+ 和 - 是普通运算符。
功能：普通运算符不直接修改调用它们的对象，而是返回一个新的对象，该对象是原始对象与指定值进行运算后的结果。
效率：由于需要创建新对象，因此在性能上可能略低于复合运算符。

1.5 日期相减时的操作符重载

// d1 - d2
int Date::operator-(const Date& d) const
{
	Date max = *this;
	Date min = d;
	int flag = 1;

	if (*this < d) // 确定最大和最小日期
	{
		max = d;
		min = *this;
		flag = -1;
        // 即当前对象小于传入的日期，则得到负数天数差
	}

	int n = 0;
	while (min != max)// 实现日期的 != 重载
	{
		++min;
		++n;
	}

	return n * flag;
}

当前对象的日期早于传入的日期对象。此时，将max设置为d，min设置为*this，并将flag设置为-1。这意味着最终的天数差将是负数。
在while循环体内，每次迭代都会对min进行自增操作（通过++运算符重载实现），同时计数器n也自增。这个过程会一直持续到min和max相等，即两个日期相同为止。

1.6 前置运算符和后置运算符实现的区别

// ++d1
Date& Date::operator++()
{
	*this += 1;
	return *this;
}

// d1++ -> d1.operator(1)
// 为了区分,构成了重载,给后置++,强行增加了一个int形参
// 这里不需要写形参名,因为接收值是多少不重要,也不需要调用
// 这个参数仅仅是为了前缀和后缀区分而存在的
Date Date::operator++(int)
{
	Date tmp(*this);
	*this += 1;
	return tmp;
}

// --d1
Date& Date::operator--()
{
	*this -= 1;
	return *this;
}

// d1--
Date Date::operator--(int)
{
	Date tmp = *this;
	*this -= 1;
	return tmp;
}

为了区分，构成了重载,给后置++，强行增加了一个int形参。

Date Date::operator++(int)

这里不需要写形参名，因为接收值是多少不重要，也不需要调用。
这个参数仅仅是为了前缀和后缀区分而存在的。

前置运算符的语义是“先操作，再返回”。

语义上：前置运算符的语义是先对对象进行递作，然后返回操作后的对象。这里的关键是“操作后的对象”。
效率：返回引用避免了不必要的创建和返回对象的拷贝。在C++中，对象的复制可能是一个昂贵的操作。
链式操作：通过返回引用，可以支持链式操作。例如，可以这样写代码：--date = anotherDate;
注意：this指向的对象函数结束后不会销毁，故以引用方式返回提高效率

后置运算符的语义是“先返回，再操作”。

语义上：后置运算符的语义是先返回操作后的对象，然后对对象进行递作。后置运算符的关键在于返回操作前的状态。
安全性：返回拷贝还避免了潜在的外部修改，此时得到的是一个独立的值，而不是对原始数据的直接引用。原始数据没有影响。
前置++和后置++都是一元运算符，为了让前置++与后置++形成能正确重载
C++规定：后置++重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递，编译器自动传递。
注意：后置++是先使用后+1，因此需要返回+1之前的旧值，故需在实现时需要先将this保存一份，然后给this + 1。
而temp是临时对象，因此只能以值的方式返回，不能返回引用

1.7 输入输出流重载

// 友元函数声明，声明后可访问私有成员变量
friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);

// 重载输出流操作符<<，用于将Date对象以特定格式输出到输出流中
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
    // 向输出流中输出Date对象的年份、月份和日期，并添加中文字符和换行符进行格式化
	out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
    // 返回输出流的引用，以便支持链式调用
	return out;
}

// 重载输入流操作符>>，用于从输入流中读取数据并设置到Date对象中
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	cout << "请依次输入年月日:>";
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
    
    // 调用Date对象的CheckDate()方法检查输入的日期是否合法 
	if (!d.CheckDate())
	{
		cout << "日期非法" << endl;
	}
    
    // 返回输入流的引用，以便支持链式调用
	return in;
}

为什么参数顺序为(ostream& out, const Date& d)?

标准的流插入运算符 << 是左结合的，也就是说左侧应该是流对象（如 cout），右侧是我们想要输出的对象（如 Date）。改变参数顺序后，调用方式也必须相应改变即（<< cout），这与常规用法不符。

标准库中的 operator<< 已经定义好了左侧是 ostream&，右侧是要输出的对象。改变参数顺序后，编译器不会再将其识别为流插入运算符，导致无法正常使用链式调用等特性。

将 operator<< 的参数顺序反过来会导致函数不能正常作为流插入运算符使用，破坏标准库的调用方式和使用习惯。

二、const成员

将const修饰的“成员函数”称之为const成员函数，const修饰类成员函数，实际修饰该成员函数隐含的this指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。
我们来看看下面的代码

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
		cout << "year:" << _year << endl;
		cout << "month:" << _month << endl;
		cout << "day:" << _day << endl << endl;
	}
	void Print() const
	{
		cout << "Print()const" << endl;
		cout << "year:" << _year << endl;
		cout << "month:" << _month << endl;
		cout << "day:" << _day << endl << endl;
	}
private:
	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};
void Test()
{
	Date d1(2022, 1, 13);
	d1.Print();
	const Date d2(2022, 1, 13);
	d2.Print();
}

请思考下面的几个问题：

1. const对象可以调用非const成员函数吗？

const对象不能调用非const成员函数。

当你将一个对象声明为const时，实际上是在承诺不会修改这个对象的状态。因此，只能对这个对象调用const成员函数，因为这些函数承诺不会修改对象的状态。

2. 非const对象可以调用const成员函数吗？

非const对象可以调用const成员函数。

const成员函数的主要目的是确保函数不会修改对象的状态。因此，对于非const对象（即可以修改的对象）来说，调用const成员函数是安全的，因为即使对象本身可以被修改，const成员函数也承诺不会修改它。

3. const成员函数内可以调用其它的非const成员函数吗？

不可以。在const成员函数中，不能直接调用同一个类的非const成员函数。原因是const成员函数承诺不会修改对象的状态，而如果它调用了非const成员函数，就会违背这个承诺，因为非const成员函数可能会修改对象。

然而，有一种情况可以间接调用非const成员函数，那就是如果你将对象的const性质通过const_cast去除，然后调用非const成员函数。但这种做法是不推荐的，因为它破坏了const的正确性和对象的常量性质，可能导致未定义行为或程序错误。通常来说，应该尽量避免这种做法。

总结来说，const成员函数内不能直接调用非const成员函数，以保持const成员函数的承诺不修改对象状态。

4. 非const成员函数内可以调用其它的const成员函数吗？

是的，非const成员函数内部可以调用const成员函数。

const成员函数的主要特点是它不会修改调用它的对象的状态。因此，从逻辑上讲，在可以修改对象状态的非const成员函数中调用一个不会修改对象状态的const成员函数是安全的。

三、取地址及const取地址操作符重载

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。

class A
{
public:
	// 我们不实现，编译器会自己实现，我们实现了编译器就不会自己实现了
	// 一般不需要我们自己实现
	// 除非不想让别人取到这个类型对象的真实地址
	A* operator&()
	{
		cout << "A* operator&()" << endl;

		return nullptr;
	}

	const A* operator&() const
	{
		cout << "const A* operator&() const" << endl;

		return (const A*)0xffffffff;
	}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 2;
	int _a3 = 3;
};

int main()
{
	A aa1;
	const A aa2;

	cout << &aa1 << endl;
	cout << &aa2 << endl;

	return 0;
}