【c++】结构体和类详解

结构体

结构体（struct），可以看做是一系列称为成员元素的组合体。

可以看做是自定义的数据类型。

Note

本页描述的 struct 不同于 C 中 struct，在 C++ 中 struct 被扩展为类似 class 的类说明符。

定义结构体

struct Object {
  int weight;
  int value;
} e[array_length];

const Object a;
Object b, B[array_length], tmp;
Object *c;

上例中定义了一个名为 Object 的结构体，两个成员元素 value, weight，类型都为 int。

在 } 后，定义了数据类型为 Object 的常量 a，变量 b，变量 tmp，数组 B，指针 c。对于某种已经存在的类型，都可以使用这里的方法进行定义常量、变量、指针、数组等。

关于指针：不必强求掌握。

定义指针

如果是定义内置类型的指针，则与平常定义指针一样。

如果是定义结构体指针，在定义中使用 StructName* 进行定义。

struct Edge {
  /*
  ...
  */
  Edge* nxt;
};

上例仅作举例，不必纠结实际意义。

访问/修改成员元素

可以使用 变量名.成员元素名 进行访问。例如可以使用 cout << var.v 来输出 var 的 v 成员。

也可以使用 指针名->成员元素名 或者 使用 (*指针名).成员元素名 进行访问。例如使用 (*ptr).v = tmp 或者 ptr->v = tmp 可以将结构体指针 ptr 指向的结构体的成员元素 v 赋值为 tmp：。

为什么需要结构体？

首先，条条大路通罗马，可以不使用结构体达到相同的效果。但是结构体能够显式地将成员元素（在算法竞赛中通常是变量）捆绑在一起，如本例中的 Object 结构体，便将 value,weight 放在了一起（定义这个结构体的实际意义是表示一件物品的重量与价值）。这样的好处边是限制了成员元素的使用。
想象一下，如果不使用结构体而且有两个数组 value[], Value[]，很容易写混淆。但如果使用结构体，能够减轻出现使用变量错误的几率。

并且不同的结构体（结构体类型，如 Object 这个结构体）或者不同的结构体变量（结构体的实例，如上方的 e 数组）可以拥有相同名字的成员元素（如 tmp.value,b.value），同名的成员元素相互独立（拥有独自的内存，比如说修改 tmp.value 不会影响 b.value 的值）。
这样的好处是可以使用尽可能相同或者相近的变量去描述一个物品。比如说 Object 里有 value 这个成员变量；我们还可以定义一个 Car 结构体，同时也拥有 value 这个成员；如果不使用结构体，或许我们就需要定义 valueOfObject[],valueOfCar[] 等不同名称的数组来区分。

如果想要更详细的描述一种事物，还可以定义成员函数。请参考 类 获取详细内容。

更多的操作

详见 类。

注意事项

为了访问内存的效率更高，编译器在处理结构中成员的实际存储情况时，可能会将成员对齐在一定的字节位置，也就意味着结构中有空余的地方。因此，该结构所占用的空间可能大于其中所有成员所占空间的总和。

类

类（class）是结构体的拓展，不仅能够拥有成员元素，还拥有成员函数。

在面向对象编程（OOP）中，对象就是类的实例，也就是变量。

C++ 中 struct 关键字定义的也是类，上文中的 结构体 的定义来自 C。因为某些历史原因，C++ 保留并拓展了 struct。

定义类

类使用关键字 class 或者 struct 定义，下文以 class 举例。

class ClassName {
  ...
};

// Example:
class Object {
 public:
  int weight;
  int value;
} e[array_length];

const Object a;
Object b, B[array_length];
Object *c;

与使用 struct 大同小异。该例定义了一个名为 Object 的类。该类拥有两个成员元素，分别为 weight,value；并在 } 后使用该类型定义了一个数组 e。

定义类的指针形同 struct。

访问说明符

不同于 struct 中的举例，本例中出现了 public，这属于访问说明符。

• public：该访问说明符之后的各个成员都可以被公开访问，简单来说就是无论 类内 还是 类外 都可以访问。
• protected：该访问说明符之后的各个成员可以被 类内、派生类或者友元的成员访问，但类外 不能访问。
• private：该访问说明符之后的各个成员 只能 被 类内 成员或者友元的成员访问，不能 被从类外或者派生类中访问。

对于 struct，它的所有成员都是默认 public。对于 class，它的所有成员都是默认 private。

关于 "友元" 和 "派生类"，可以参考下方折叠框，或者查询网络资料进行详细了解。

对于算法竞赛来说，友元和派生类并不是必须要掌握的知识点。

关于友元以及派生类的基本概念

友元（friend）：使用 friend 关键字修饰某个函数或者类。可以使得在 被修饰者 在不成为成员函数或者成员类的情况下，访问该类的私有（private）或者受保护（protected）成员。简单来说就是只要带有这个类的 friend 标记，就可以访问私有或受保护的成员元素。

派生类（derived class）：C++ 允许使用一个类作为 基类，并通过基类 派生 出 派生类。其中派生类（根据特定规则）继承基类中的成员变量和成员函数。可以提高代码的复用率。

派生类似 "is" 的关系。如猫（派生类）"is" 哺乳动物（基类）。

对于上面 private 和 protected 的区别，可以看做派生类可以访问基类的 protected 的元素（public 同），但不能访问 private 元素。

访问与修改成员元素的值

方法形同 struct

• 对于变量，使用 . 符号。
• 对于指针，使用 -> 符号。

成员函数

成员函数，顾名思义。就是类中所包含的函数。

常见成员函数举例

vector.push_back();
set.insert();
queue.empty();

class Class_Name {
  ... type Function_Name(...) { ... }
};

// Example:
class Object {
 public:
  int weight;
  int value;

  void print() {
    cout << weight << endl;
    return;
  }

  void change_w(int);
};

void Object::change_w(int _weight) { weight = _weight; }

Object var;

该类有一个打印 Object 成员元素的函数，以及更改成员元素 weight 的函数。

和函数类似，对于成员函数，也可以先声明，在定义，如第十四行（声明处）以及十七行后（定义处）。

如果想要调用 var 的 print 成员函数，可以使用 var.print() 进行调用。

重载运算符

何为重载

C++ 允许编写者为名称相同的函数或者运算符指定不同的定义。这称为 重载（overload）。

如果同名函数的参数种类、数量中的一者或多者两两不相同，则这些同名函数被看做是不同的。

需要注意的是：如果两个同名函数的区别仅仅是返回值的类型不同则无法进行重载，此时编译器会拒绝编译！

如果在调用时不会出现混淆（指调用某些同名函数时，无法根据所填参数种类和数量唯一地判断出被调用函数。常发生在具有默认参数的函数中），则编译器会根据调用时所填参数判断应调用函数。

而上述过程被称作重载解析。

重载运算符，可以部分程度上代替函数，简化代码。

下面给出重载运算符的例子。

class Vector {
 public:
  int x, y;

  Vector() : x(0), y(0) {}

  Vector(int _x, int _y) : x(_x), y(_y) {}

  int operator*(const Vector& other) const { return x * other.x + y * other.y; }

  Vector operator+(const Vector&) const;
  Vector operator-(const Vector&) const;
};

Vector Vector::operator+(const Vector& other) const {
  return Vector(x + other.x, y + other.y);
}

Vector Vector::operator-(const Vector& other) const {
  return Vector(x - other.x, y - other.y);
}

// 关于4,5行表示为x,y赋值，具体实现参见后文。

该例定义了一个向量类，并重载了 * + - 运算符，并分别代表向量内积，向量加，向量减。

重载运算符的模板大致可分为下面几部分。

/*类定义内重载*/ 返回类型 operator符号(参数){...}

/*类定义内声明，在外部定义*/ 返回类型 类名称::operator符号(参数){...}

对于自定义的类，如果重载了某些运算符（一般来说只需要重载 < 这个比较运算符），便可以使用相应的 STL 容器或算法，如 sort。

如要了解更多，可参见「参考资料」第四条。

可以被重载的运算符

+ - * / % ^ & | ~ ! = < > += -= *= /= %= ^= &= |= << >> >>= <<= == != <= >= && || ++ -- , ->* -> () [] new new [] delete delete []

在实例化变量时设定初始值

为完成这种操作，需要定义 默认构造函数(Default constructor)。

class ClassName {
  ... ClassName(...)... { ... }
};

// Example:
class Object {
 public:
  int weight;
  int value;

  Object() {
    weight = 0;
    value = 0;
  }
};

该例定义了 Object 的默认构造函数，该函数能够在我们实例化 Object 类型变量时，将所有的成员元素初始化为 0。

若无显式的构造函数，则编译器认为该类有隐式的默认构造函数。换言之，若无定义任何构造函数，则编译器会自动生成一个默认构造函数，并会根据成员元素的类型进行初始化（与定义 内置类型 变量相同）。

在这种情况下，成员元素都是未初始化的，访问未初始化的变量的结果是未定义的（也就是说并不知道会返回何值）。

如果需要自定义初始化的值，可以再定义（或重载）构造函数。

关于定义（或重载）构造函数

一般来说，默认构造函数是不带参数的，这区别于构造函数。构造函数和默认构造函数的定义大同小异，只是参数数量上的不同。

构造函数可以被重载（当然首次被叫做定义）。需要注意的是，如果已经定义了构造函数，那么编译器便不会再生成无参数的默认构造函数。这会可能会使试图以默认方法构造变量的行为编译失败（指不填入初始化参数）。

使用 C++11 或以上时，可以使用 {} 进行变量的初始化。

关于 {}

使用 {} 进行初始化，会用到 std::initializer_list 这一个轻量代理对象进行初始化。

初始化步骤大概如下

1. 尝试寻找参数中有 std::initializer_list 的默认构造函数，如果有则调用（调用完后不再进行下面的查找，下同）。
2. 尝试将 {} 中的元素填入其他构造参数，如果能将参数按照顺序填满（默认参数也算在内），则调用该默认构造函数。
3. 若无 private 成员元素，则尝试在 类外 按照元素定义顺序或者下标顺序依次赋值。

上述过程只是完整过程的简化版本

class Object {
 public:
  int weight;
  int value;

  Object() {
    weight = 0;
    value = 0;
  }

  Object(int _weight = 0, int _value = 0) {
    weight = _weight;
    value = _value;
  }

  // the same as
  // Object(int _weight,int _value):weight(_weight),value(_value) {}
};

// the same as
// Object::Object(int _weight,int _value){
//   weight = _weight;
//   value = _value;
// }
//}

Object A;        // ok
Object B(1, 2);  // ok
Object C{1, 2};  // ok,(C++11)

关于隐式类型转换

有时候会写出如下的代码

看上去十分不符合逻辑，一个 int 类型不可能转化为 node 类型。但是编译器不会进行 error 提示。

原因是在进行赋值时，首先会将 1 作为参数调用 node::node(int)，然后调用默认的复制函数进行赋值。

但大多数情况下，编写者会希望编译器进行报错。这时便可以在构造函数前追加 explicit 关键字。这会告诉编译器必须显式进行调用。

class Node {
 public:
  int var;

  explicit Node(int _var) : var(_var) {}
};

也就是说 node a=1 将会报错，但 node a=node(1) 不会。因为后者显式调用了构造函数。当然大多数人不会写出后者的代码，但此例足以说明 explicit 的作用。

不过在算法竞赛中，为了避免此类情况常用的是 "加强对代码的规范程度"，从源头上避免

销毁

这是不可避免的问题。每一个变量都将在作用范围结束走向销毁。

但对于已经指向了动态申请的内存的指针来说，该指针在销毁时不会自动释放所指向的内存，需要手动释放动态内存。

如果结构体的成员元素包含指针，同样会遇到这种问题。需要用到析构函数来手动释放动态内存。

析构 函数（Destructor）将会在该变量被销毁时被调用。重载的方法形同构造函数，但需要在前加 ~

默认定义的析构函数通常对于算法竞赛已经足够使用，通常我们只有在成员元素包含指针时才会重载析构函数。

class Object {
 public:
  int weight;
  int value;
  int* ned;

  Object() {
    weight = 0;
    value = 0;
  }

  ~Object() { delete ned; }
};

为类变量赋值

默认情况下，赋值时会按照对应成员元素赋值的规则进行。也可以使用 类名称() 或 类名称{} 作为临时变量来进行赋值。

前者只是调用了复制构造函数（copy constructor），而后者在调用复制构造函数前会调用默认构造函数。

另外默认情况下，进行的赋值都是对应元素间进行 浅拷贝，如果成员元素中有指针，则在赋值完成后，两个变量的成员指针具有相同的地址。

// A,tmp1,tmp2,tmp3类型为Object
tmp1 = A;
tmp2 = Object(...);
tmp3 = {...};

如需解决指针问题或更多操作，需要重载相应的构造函数。