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C++类和对象
4、类的默认成员函数
- 简单来说，默认成员函数就是我们不写时，编译器默认生成的函数。
- 默认成员函数有六个，**构造函数（完成初始化工作）、析构函数（完成清理工作）、拷贝构造、复制重载、普通对象和const对象取地址。**接下来详细介绍几个函数。
5、构造函数
构造函数是特殊的成员函数，**构造函数是用来对象实例化时初始化对象。**构造函数的本质是要替代上文（1.3和3.中）的Stack和Date类中写的Init函数的功能，构造函数自动调用的特点完美的替代了Init函数。
5.1构造函数的特点
-
函数名与类名相同
-
无返回值(返回值啥都不需要给，也不需要写void，不要纠结，C++规定如此）
-
对象实例化时系统会自动调用对应的构造函数。
-
构造函数可以重载。
-
如果在定义类的时候没有特定写构造函数，即类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成⼀个无参的默认构造函数，如果写了构造函数，则编译器将不再默认生成。
-
无参构造函数、全缺省构造函数、我们不写构造时编译器默认生成的构造函数，都叫做默认构造函数。要注意很多人会认为默认构造函数是编译器默认生成那个叫默认构造，实际上无参构造函数、全缺省构造函数也是默认构造，总结⼀下就是不传实参就可以调用的构造就叫默认构造。
-
我们不写，编译器默认生成的构造，对内置类型成员变量的初始化没有要求，也就是说是是否初始化是不确定的，要看编译器。对于自定义类型成员变量，要求调用这个成员变量的默认构造函数初始化。如果这个成员变量，没有默认构造函数，那么就会报错，我们要初始化这个成员变量，需要用初始化列表才能解决。
5.2实例分析
举例1：
#include<iostream>
using namespace std;
class Date{
public:
Date(){//无参构造函数
_year=1;
_month=1;
_day=1;
}//给Date中的三个成员全部赋值为1
Date(int year,int month,int day){//有参构造函数
_year=year;
_month=month;
_day=day;
}
void Print(){
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main(){
Date d1;
Date d2(2024,8,10);
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
运行结果是1/1/1和2024/8/10，其中在主函数的Date d1;中，在对象的实例化时自动调用构造函数，也相当于前文中的Init函数，这就免去了在实例化之后还要Init一遍。当然，这里的代码可以使用缺省参数
举例2
#include<iostream>
using namespace std;
class Date{
public:
Date(int year=1,int month=1,int day=1){//全缺省构造函数
_year=year;
_month=month;
_day=day;
}
void Print(){
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main(){
Date d1;
// 注意：如果通过⽆参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则编译器⽆法
// 区分这里是函数声明还是实例化对象。
// warning C4930: “Date d3(void)”: 未调用原型函数(是否是有意⽤变量定义的?)
Date d2(2024,8,10);
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
运行结果是1/1/1和2024/8/10，其中d1在实例化的时候自动调用了构造函数并且是全缺省的。
6、析构函数
析构函数与构造函数功能相反，析构函数主要用于对象生命周期结束时收回对象，比如局部对象是存在栈帧的， 函数结束栈帧销毁，他就释放了，不需要我们管，C++规定对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理释放工作。析构函数的功能类比前文1.1中Stack实现的Destroy功能，而像Date没有Destroy，其实就是没有资源需要释放，所以严格说Date是不需要析构函数的。
6.1析构函数的特点
-
析构函数名是在类名前加上字符 ~。
-
无参数无返回值。 (这里跟构造类似，也不需要加void)
-
⼀个类只能有⼀个析构函数。若没有写，系统会自动生成默认的析构函数。
-
对象生命周期结束时，系统会自动调用析构函数。
-
跟构造函数类似，我们不写时，编译器自动生成的析构函数对内置类型成员不做处理，自定类型成员会调用他的析构函数。
-
还需要注意的是我们显示写析构函数，对于自定义类型成员也会调用他的析构，也就是说自定义类型成员无论什么情况都会自动调用析构函数。
-
如果类中没有申请资源时，析构函数可以不写，直接使用编译器生成的默认析构函数；如果默认生成的析构就够用，也就不需要自己写析构；但是有资源申请时，⼀定要自己写析构，否则会造成资源泄漏。
-
⼀个局部域的多个对象，C++规定后定义的先析构。
大概结构如下图：
6.2实例分析
这里建议将代码copy，自己运行观察结果并调试观察_n的变化来感受一下
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class student {
public:
student(string name){ //有参构造函数，类内声明并定义
_n = (int*)malloc(sizeof(int));//只是为了体现效果才申请的，不用纠结有什么含义
_name = name;
}
~student() {//声明析构函数，若未声明，则自动生成默认析构函数
cout << "~Stack()" << endl;
//打印只是为了在运行代码后显示，说明执行了此析构函数
free(_n);
_n = nullptr;
}
private:
int* _n;
string _name;
};
int main()
{
student s1("ZhangSan");
return 0;
}
上述代码中，为了直观的感受析构函数的执行，在构造函数中写了一个申请空间，没有实际意义只便于展示。运行程序会发现屏幕打印了~Stack（），说明析构函数正常运行了，如果一步步调试会发现，主程序在s1的生命周期结束后执行了析构函数，即在执行完return 0后，会继续执行析构函数，释放空间。
总结：一般情况下，如果显示申请了资源（如申请空间），才需要自己实现析构，其他情况不用专门写析构函数
7、拷贝构造函数
7.1 拷贝构造函数的特点
如果⼀个构造函数的第⼀个参数是自身类类型的引用，且任何额外的参数都有默认值，则此构造函数也叫做拷贝构造函数，也就是说拷贝构造是⼀个特殊的构造函数。
- 拷贝构造函数是构造函数的一个重载
- 拷贝构造的第一个参数必须是类类型的对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发无穷递归调用。 拷贝构造函数也可以多个参数，但是第⼀个参数必须是类类型对象的引用，后面的参数必须有缺省值，可见下文举例1和举例2。
- C++规定自定义类型对象进行拷贝行为必须调用拷贝构造，所以这里自定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成。 可见下文举例3。
- 若未显式定义拷贝构造，编译器会自动生成拷贝构造函数。自动生成的拷贝构造对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(⼀个字节⼀个字节的拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造。
- 像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的拷贝构造就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显示实现拷贝构造。像Stack这样的类，虽然也都是内置类型，但是_a指向了资源，编译器自动生成的拷贝构造完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝(对指向的资源也进行拷贝)。这里还有⼀个小技巧，如果⼀个类显式实现了析构并释放资源，那么他就需要显式写拷贝构造，否则就不需要。
- 传值返回会产生⼀个临时对象调用拷贝构造，传值引用返回，返回的是返回对象的别名(引用)，没有产生拷贝。但是如果返回对象是⼀个当前函数局部域的局部对象，函数结束就销毁了，那么使用引用返回是有问题的，这时的引用相当于⼀个野引用，类似⼀个野指针⼀样。传引用返回可以减少拷贝，但是⼀定要确保返回对象，在当前函数结束后还在，才能用引用返回。
7.2实例分析
举例1
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024,8,11);
Date d2(d1);
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
运行结果应该是两个2024/8/11，其中在主函数的Date d2(d1);就是一个拷贝构造，由于没有在Date类中专门写显式拷贝构造函数，所以默认生成了拷贝构造函数。如果我们自己写显式构造函数，代码可以参考如下：
举例2
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
//Date d2(d1)拷贝构造：
Date(Date &d){ //注意这里必须使用引用，可见上文7.1第二点内容
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024,8,11);
Date d2(d1);
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
如上程序中Date类下写了拷贝构造函数，注意：拷贝构造的第一个参数必须是类类型的对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发无穷递归调用。 拷贝构造函数也可以多个参数，但是第⼀个参数必须是类类型对象的引用，后面的参数必须有缺省值。
举例3
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
//Date d2(d1)拷贝构造：
Date(Date &d){ //注意这里必须使用引用，可见上文7.1第二点内容
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
void Func(Date d){
}
int main()
{
Date d1(2024,8,11);
Date d2(d1);
Func(d1);
return 0;
}
上述代码中调用了一个Func（）函数，如果一步一步调试会发现，当程序运行到Func（d1）的时候，会先调用Date中的拷贝构造函数，再调用Func函数，即7.1中的第三点特点。这一特性决定了第二个特点中的“拷贝构造的第一个参数必须是类类型的对象的引用”，因为每次传值传参的时候都要先调用拷贝构造函数，如果不使用引用，那么就会一直陷入这个传参到拷贝构造函数的死循环中。
7.3浅拷贝和深拷贝
由于浅拷贝是一个字节一个字节一摸一样地复制，在浅拷贝一个构造函数中有申请空间的类的时候会出现两个对象使用一个空间的情况，例如6.2中的例子：
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class student {
public:
student(string name){ //有参构造函数，类内声明并定义
_n = (int*)malloc(sizeof(int));//只是为了体现效果才申请的，不用纠结有什么含义
_name = name;
}
~student() {//声明析构函数，若未声明，则自动生成默认析构函数
cout << "~Stack()" << endl;
//打印只是为了在运行代码后显示，说明执行了此析构函数
free(_n);
_n = nullptr;
}
private:
int* _n;
string _name;
};
int main()
{
student s1("ZhangSan");
student s2(s1);
return 0;
}
会发现运行会报错，用调试窗口查看s1和s2会发现他们中_n的地址是一样的，也就是说他们共享了一块空间，如下：
当两个对象同时共享一块空间，那么在对这块空间的内容进行操作的时候就会出现错误，并且s1和s2在生命周期结束的时候都要调用一遍析构函数，而这块空间释放一遍后再释放一遍显然是不行的，也会出现问题。我们想要达到的效果应该是两块不同的空间，但是其中的所有数据是相同的，因此我们在碰到有申请空间类似的类时需要自己写拷贝构造函数，即深拷贝，代码如下：
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class student {
public:
student(string name){ //有参构造函数，类内声明并定义
_n = (int*)malloc(sizeof(int));//只是为了体现效果才申请的，无含义
_name = name;
}
student(student& s){
_n=(int*)malloc(sizeof(int));
_name=s._name;
}
~student() {//声明析构函数，若未声明，则自动生成默认析构函数
cout << "~Stack()" << endl;
//打印只是为了在运行代码后显示，说明执行了此析构函数
free(_n);
_n = nullptr;
}
private:
int* _n;
string _name;
};
int main()
{
student s1("ZhangSan");
student s2(s1);
return 0;
}
8、赋值运算符重载
8.1运算符重载
8.1.1运算符重载的特点
-
运算符重载是具有特殊名字的函数，他的名字是由operator和后面要定义的运算符共同构成。和其他函数⼀样，它也具有其返回类型和参数列表以及函数体。
-
当运算符被用于类类型的对象时，c++语言允许我们通过运算符重载的形式指定新的含义。C++规定类类型对象使用运算符时，必须转换成调用对应运算符重载，若没有对应的运算符重载，则会编译报错。简单来说，像内置类型如int、char等类型可以直接使用+、-、<、>等运算符，但是如果是类类型，可以类比c语言中结构体比较，无法直接使用<、>等运算符来比较，而是要自己写一个函数，给定一个比较的规则，而c++中运算符重载就类似于此 见举例1。
-
重载运算符函数的参数个数和该运算符作用的运算对象数量⼀样多。⼀元运算符（如++、– –等）有⼀个参数，二元运算符（如> ，<等）有两个参数，二元运算符的左侧运算对象传给第一个参数，右侧运算对象传给第二个参数。 见举例1。
-
如果⼀个重载运算符函数是成员函数，则它的第⼀个运算对象默认传给隐式的this指针，因此运算符重载作为成员函数时，参数比运算对象少⼀个。 见举例1。
-
不能重载的五个运算符： . （成员访问运算符） .* （成员指针访问运算符） sizeof (长度运算符) :: （域运算符） ?: （条件运算符）
-
运算符重载以后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持⼀致。
8.1.2实例分析
举例1：
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
int _year;
int _month;
int _day;
};
//==运算符重载：
bool operator==(const Date& x1, const Date& x2) {
return x1._year == x2._year && x1._month == x2._month && x1._day == x2._day;
}
int main()
{
Date d1(2024, 8, 11);
Date d2(2024, 8, 13);
if (d1 == d2) printf("相同");
//可以直接隐式调用使用重载后的==，
//显式调用应该为：operator==(d1.d2)
else printf("不相同");
return 0;
}
如上述代码，在类外进行了==的运算符重载，就类似一个普通的函数，但是在这里如果将Date类中的_year _month _day改为私有的话，类外的operator就无法访问，因此可以将operator重载放在类内，**注意operator重载函数中会有一个隐式的this指针，因此表面上我们只需要传一个参数即可，详见前文8.1第三、四点。**代码如下：
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
bool operator==(const Date& x1) {//由于有一个this指针当作一个参数，因此只用传一个参数就好
return x1._year == _year && x1._month == _month && x1._day == _day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024, 8, 11);
Date d2(2024, 8, 13);
if (d1 == d2) printf("相同");
//可以直接隐式调用使用重载后的==，
//显式调用应该为：d1.operator(d2);
else printf("不相同");
return 0;
}
8.1.3前置和后置运算的区分
对于内置类型如int，我们知道可以有前置++和后置++，即对int i，有i++和++i，那么在运算符重载里，由于++会调用运算符重载函数，但是无法分辨前置++和后置++，所以他们的隐式调用虽然一样，本质的显式调用就有区别。
==注意：==下面代码中为方便演示，先不考虑日期满一个月月份+1等进位问题。进行两种++的重载，Date类使用++重载的意义是实现日期的前移（十一号变成十二号之类的）。
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
Date operator+=(int i) {
_day++;//先不考虑进位，主要演示前后置++
return *this;
}
//++d1，要返回++之后的值
//d1.operator++()运算符重载
Date& operator++()
{
*this += 1;
return *this;
}
//d1++
//d1.operator++(1)函数重载
Date operator++(int i)
// 重载++运算符时，有前置++和后置++，运算符重载函数名都是operator++，⽆法很好的区分。
//C++规定，后置++重载时，增加⼀个int形参，跟前置++构成函数重载，⽅便区分。
{
Date tmp(*this);
*this += 1;
return tmp;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024, 8, 11);
d1++;
d1.Print();
return 0;
}//运行结果2024/8/12
其中，++d1是对++函数的运算符重载，由于函数中d1（*this指针就是指向d1）在函数结束后生命周期没有结束，还是存在的，所以直接使用引用，那么返回的时候就会减少拷贝。后置++的函数中， 重载++运算符时，有前置++和后置++，运算符重载函数名都是operator++，无法很好的区分。 **C++规定，后置++重载时，增加⼀个int形参，跟前置++构成函数重载，方便区分。**本质上是对函数进行重载，而且由于返回的是++之前的值，因此使用tmp先拷贝构造一份，由于tmp的生命周期在这个函数结束后便会销毁，只是程序将值临时拷贝一份保留，因此不需要像之前一样使用引用返回。
8.2赋值运算符重载
赋值运算符重载是⼀个默认成员函数，用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，这里要注意跟拷贝构造区分（可见8.2.1第四点），拷贝构造用于⼀个对象拷贝初始化给另⼀个要创建的对象。
8.2.1赋值运算符特点
- 赋值运算符重载是⼀个运算符重载，规定必须重载为成员函数。赋值运算重载的参数建议写成 const 当前类类型引用，否则会传值传参会有拷贝
- 有返回值，且建议写成当前类类型引用，引用返回可以提高效率，有返回值目的是支持连续赋值场景。见举例2
- 没有显式实现时，编译器会自动生成⼀个默认赋值运算符重载，默认赋值运算符重载行为跟默认拷贝构造函数类似，对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝(⼀个字节⼀个字节的拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的赋值重载函数。
- 拷贝构造用于一个已经存在对象拷贝初始化给另一个要创建的对象。拷贝赋值用于完成两个已经存在的对象进行直接的赋值。可见下面代码中的26-29行。 见举例1
- 一般来说，如果⼀个类显式实现了析构并释放资源，那么他就需要显式写赋值运算符重载。像Date这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成赋值运算符重载就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显式实现赋值运算符重载。
8.2.2实例分析
举例1
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
void operator = (const Date & d){
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024, 8, 11);
Date d2 = d1; //是拷贝构造
Date d3;
d3 = d1; //拷贝赋值
//显示应为d1.operator=(d3)
d3.Print();
return 0;
}
但是上面代码中的赋值重载无法实现例如d3 = d2 = d1;的连续赋值操作，再看举例2是如何实现的。
举例2
连续赋值的操作原理应该是这样的：现在有：int x,y,z;对它们进行赋值操作x = y = z = 1;逻辑应该是从右往左，先将1赋值给z，然后z作为z = 1的赋值表达式的返回值，再作为y = z的右参数，将z赋值给y，以此类推将x，y，z全部赋值完成，因此要实现连续赋值操作，可以在赋值重载函数里增加返回值。
#include<iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) {//全缺省构造函数
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
Date& operator = (const Date & d){
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
return *this;
//例如执行的操作是d2.operator=(d3)则应该返回的是d2这个类，this是指向d2的指针，即d2的地址，因此应该返回*this,但是d2出了这个函数生命周期没有结束，所以可以使用引用返回减少再临时拷贝，减少资源占用
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1(2024, 8, 11);
Date d2 = d1; //是拷贝构造
Date d3, d4;
d3 = d4 = d1; //拷贝赋值
//显示应为d1.operator=(d3)
d3.Print();
d4.Print();
return 0;
}
9、总结
- 构造一般需要自己写，自己传参定义初始化
- 析构，构造时有资源申请（比如malloc或者fopen）等，就需要显式写析构寒素
- 拷贝构造和复制重载，显式写了析构，内部管理资源就需要显式实现深拷贝