C++ 中的类与对象

password

comment

type

status

date

slug

summary

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，是一种用户自定义的数据类型，它是一种封装了数据和函数的组合。类中的数据称为成员变量，函数称为成员函数。类可以被看作是一种模板，可以用来创建具有相同属性和行为的多个对象。

C++ 中类的定义

定义一个类需要使用关键字 class，然后指定类的名称，并类的主体是包含在一对花括号中，主体包含类的成员变量和成员函数。

定义一个类，本质上是定义一个数据类型的蓝图，它定义了类的对象包括了什么，以及可以在这个对象上执行哪些操作。

以下实例我们使用关键字 class 定义 Box 数据类型，包含了三个成员变量 length、breadth 和 height：

关键字 public 确定了类成员的访问属性。在类对象作用域内，公共成员在类的外部是可访问的。我们也可以指定类的成员为 private 或 protected，这个我们稍后会进行讲解。

C++ 中对象的定义

类提供了对象的蓝图，所以基本上，对象是根据类来创建的。声明类的对象，就像声明基本类型的变量一样。下面的语句声明了类 Box 的两个对象：

对象 Box1 和 Box2 都有它们各自的数据成员。

数据成员的访问

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。

为了更好地理解这些概念，让我们尝试一下下面的实例：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

需要注意的是，私有的成员和受保护的成员不能使用直接成员访问运算符 (.) 来直接访问。我们将在后续的教程中学习如何访问私有成员和受保护的成员。

C++ 中的类成员函数

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。

让我们看看之前定义的类 Box，现在我们要使用成员函数来访问类的成员，而不是直接访问这些类的成员：

成员函数可以定义在类定义内部，或者单独使用范围解析运算符 :: 来定义。在类定义中定义的成员函数把函数声明为内联的，即便没有使用 inline 标识符。所以您可以按照如下方式定义 getVolume() 函数：

我们也可以在类的外部使用范围解析运算符 :: 定义该函数，如下所示：

在这里，需要强调一点，在 :: 运算符之前必须使用类名。调用成员函数是在对象上使用点运算符（.），这样它就能操作与该对象相关的数据，如下所示：

让我们使用上面提到的概念来设置和获取类中不同的成员的值：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

C++ 中类的访问修饰符

在 C++ 面向对象编程（OOP）中，数据封装（Encapsulation）是核心概念之一。简单来说，就是把数据"藏"起来，只开放必要的接口给外界使用，以保证数据的安全。

为了控制谁能看到这些数据，C++ 提供了三个关键字，称为访问修饰符：

public (公有)

private (私有)

protected (受保护)

为了方便理解，我们可以把一个类（Class）想象成你的家：

修饰符	现实类比	谁可以访问？	典型用途
`public`	客厅/大门	所有人（类内部、子类、外部代码）	对外提供的接口函数（API）。
`protected`	卧室	你和你的孩子（类内部、子类）	仅限家族内部（继承体系）使用的数据。
`private`	保险箱	只有你自己（仅限本类内部）	核心数据、不想被随意修改的变量。

注意：如果不写任何修饰符，C++ 类成员默认是 private（私有） 的。

公有（`public`）成员

公有成员在程序中任何地方都能访问，无需通过成员函数读写，示例如下：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

私有（`private`）成员

私有成员对类外完全封闭，外部代码无法读取、修改或调用，派生类同样无权直接访问。只有类自身的成员函数与被授予友元权限的实体能够操作这些内容。

类中若未使用任何访问说明符，成员默认为私有。如下例所示，width 自动落入私有区域，表明未明确标注的成员均按私有处理：

实际操作中，我们一般会在私有区域定义数据，在公有区域定义相关的函数，以便在类的外部也可以调用这些函数，如下所示：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

受保护（`protected`）成员

protected 的存在主要是为了继承。

如果没有继承，它和 private 一样（外人不可见）。

如果有继承，子类（派生类）可以访问父类的 protected 成员，但不能访问 private 成员。

在下一个章节中，我们将学习到派生类和继承的知识。现在我们可以看到下面的实例中，我们从父类 Box 派生了一个子类 smallBox。

下面的实例与前面的实例类似，在这里 width 成员可被派生类 smallBox 的任何成员函数访问。

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

继承中的访问权限变化

当你定义一个子类时（如 class B: public A），冒号后面的 public 也是一种访问修饰符，它决定了父类的成员在子类中"表现"成什么样。

这看起来很复杂，但只需要记住这个降级原则：

继承方式决定了父类成员在子类中的最高权限。
如果继承方式比成员原本的权限更严格，成员的权限就会被"降级"到继承方式的级别。

权限变化表

父类成员原权限	`public` 继承 (最常用)	`protected` 继承	`private` 继承
`public`	保持 `public`	降级为 `protected`	降级为 `private`
`protected`	保持 `protected`	保持 `protected`	降级为 `private`
`private`	不可访问	不可访问	不可访问

注：不可访问指子类代码无法直接使用该变量，但变量依然存在于内存中。

综合演示代码

为了清晰展示，我们将变量重命名为 pub_var (公有), pro_var (受保护), pri_var (私有)。

总结

Public: 谁都能用。做接口（API）用。

Private: 只有自己能用。存数据用（默认安全选项）。

Protected: 只有家族（继承链）能用。给子类留后门用。

继承:

Public 继承：父类的属性保持不变（最常用）。

Private/Protected 继承：会收紧父类成员的权限，通常用于特殊的实现场景。

C++ 中类的构造函数与析构函数

类的构造函数

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。

下面的实例有助于更好地理解构造函数的概念：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

带参数的构造函数

默认的构造函数没有任何参数，但如果需要，构造函数也可以带有参数。这样在创建对象时就会给对象赋初始值，如下面的例子所示：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

使用初始化列表来初始化字段

使用初始化列表来初始化字段：

上面的语法等同于如下语法：

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，我们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：

类的析构函数

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。

下面的实例有助于更好地理解析构函数的概念：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

C++ 中的拷贝构造函数

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：

在这里，obj 是一个对象引用，该对象是用于初始化另一个对象的。

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

下面的实例对上面的实例稍作修改，通过使用已有的同类型的对象来初始化新创建的对象：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

C++ 中的友元函数

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。

如果要声明函数为一个类的友元，需要在类定义中该函数原型前使用关键字 friend，如下所示：

声明类 ClassTwo 的所有成员函数作为类 ClassOne 的友元，需要在类 ClassOne 的定义中放置如下声明：

请看下面的程序：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

C++ 中的内联函数

C++ 中的内联函数通常与类一起使用。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。

对内联函数进行任何修改，都需要重新编译函数的所有客户端，因为编译器需要重新更换一次所有的代码，否则将会继续使用旧的函数。

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。如果已定义的函数多于一行，编译器会忽略 inline 限定符。

在类定义中的定义的函数都是内联函数，即使没有使用 inline 说明符。

下面是一个实例，使用内联函数来返回两个数中的最大值：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

C++ 中的 `this` 指针

在 C++ 中，this 指针是一个特殊的指针，它指向当前对象的实例。

在 C++ 中，每一个对象都能通过 this 指针来访问自己的地址。

this是一个隐藏的指针，可以在类的成员函数中使用，它可以用来指向调用对象。

当一个对象的成员函数被调用时，编译器会隐式地传递该对象的地址作为 this 指针。

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。

下面的实例有助于更好地理解 this 指针的概念：

以上代码执行输出结果为：

实例解析：

以上实例中，我们定义了一个名为 MyClass 的类，它有一个私有成员变量 value。

类中的 setValue() 函数用于设置 value 的值，而 printValue() 函数用于打印 value 的值。

在 setValue() 函数中，我们使用 this 指针来引用当前对象的成员变量 value，并将传入的值赋给它，这样可以明确地告诉编译器我们想要访问当前对象的成员变量，而不是函数参数或局部变量。

在 printValue() 函数中，我们同样使用 this 指针来引用当前对象的成员变量 value，并将其打印出来。

在 main() 函数中，我们创建了一个 MyClass 的对象 obj，然后使用 setValue() 函数设置 value 的值为 42，并通过 printValue() 函数打印出来。

通过使用 this 指针，我们可以在成员函数中访问当前对象的成员变量，即使它们与函数参数或局部变量同名，这样可以避免命名冲突，并确保我们访问的是正确的变量。

C++ 中指向类的指针

一个指向 C++ 类的指针与指向结构的指针类似，访问指向类的指针的成员，需要使用成员访问运算符 ->，就像访问指向结构的指针一样。与所有的指针一样，您必须在使用指针之前，对指针进行初始化。

在 C++ 中，指向类的指针指向一个类的对象，与普通的指针相似，指向类的指针可以用于访问对象的成员变量和成员函数。

声明和初始化指向类的指针

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

动态分配内存

指向类的指针还可以用于动态分配内存，创建类的对象：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

指向类的指针作为函数参数

指向类的指针可以作为函数参数传递：

实例

下面的实例有助于更好地理解指向类的指针的概念：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

C++ 中类的静态成员

我们可以使用 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。

下面的实例有助于更好地理解静态成员数据的概念：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

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。

下面的实例有助于更好地理解静态成员函数的概念：

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：