【C++漂流记】一文搞懂类与对象中的对象特征

野性酷女 2024-03-04 01:24 104阅读 0赞

> 在C++中，类与对象是面向对象编程的基本概念。类是一种抽象的数据类型，用于描述对象的属性和行为。而对象则是类的实例，具体化了类的属性和行为。本文将介绍C++中类与对象的对象特征，并重点讨论了对象的引用。  
> ![在这里插入图片描述][0a8ed3bf248c4dddafd71691f0e7ed5f.jpeg_pic_center]

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#### 文章目录 ####

*  一、构造函数和析构函数
 *  二、函数的分类和调用
 *   *  1. 分类
     *  2. 调用方式
     *  3. 示例代码
     *  4. 输出结果：
     *  5. 代码解释
 *  三、拷贝构造函数的时机
 *  四、构造函数调用规则
 *  五、深拷贝和浅拷贝
 *  六、初始化列表
 *  七、类对象作为类成员
 *  八、静态成员

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相关链接：  
[一文搞懂类与对象的封装][Link 1]  
[一文搞懂C++中的引用][C]  
[函数的高级应用][Link 2]

## 一、构造函数和析构函数 ##

当我们创建一个类时，它可能具有一些成员变量和成员函数。构造函数和析构函数是类的特殊成员函数，用于**初始化对象**和**清理对象**。

1.  **构造函数**的作用是在创建对象时初始化对象的成员变量。它的名称与类名相同，没有返回类型，并且可以有参数。构造函数可以有多个重载版本，根据传入的参数的类型和数量来确定使用哪个构造函数。构造函数在对象创建时自动调用。
2.  **析构函数**的作用是在对象销毁时清理对象的资源。它的名称与类名相同，前面加上一个波浪号（~），没有返回类型，并且不接受任何参数。析构函数只能有一个，不能重载。析构函数在对象销毁时自动调用。

**示例代码：**

class Person {
        
    public:
        string name;
        int age;
    
        // 默认构造函数
        Person() {
        
            name = "Unknown";
            age = 0;
            cout << "Default constructor called" << endl;
        }
    
        // 带参数的构造函数
        Person(string n, int a) {
        
            name = n;
            age = a;
            cout << "Parameterized constructor called" << endl;
        }
    
        // 析构函数
        ~Person() {
        
            cout << "Destructor called" << endl;
        }
    };
    
    int main() {
        
        // 使用默认构造函数创建对象
        Person p1;
        cout << "Name: " << p1.name << ", Age: " << p1.age << endl;
    
        // 使用带参数的构造函数创建对象
        Person p2("John", 25);
        cout << "Name: " << p2.name << ", Age: " << p2.age << endl;
    
        return 0;
    }

**输出结果：**

Default constructor called
    Name: Unknown, Age: 0
    Parameterized constructor called
    Name: John, Age: 25
    Destructor called
    Destructor called

**代码解释：**  
在上述示例中，我们定义了一个名为`Person`的类，它具有两个成员变量：`name`和`age`。我们使用构造函数和析构函数来初始化和清理这些成员变量。

首先，我们定义了一个默认构造函数，它没有参数。在默认构造函数中，我们将`name`设置为`Unknown`，将`age`设置为0，并打印一条消息来表示构造函数被调用。

接下来，我们定义了一个带参数的构造函数，它接受一个字符串参数和一个整数参数。在带参数的构造函数中，我们将传入的参数值分别赋给`name`和`age`成员变量，并打印一条消息来表示构造函数被调用。

在主函数中，我们首先使用默认构造函数创建一个名为`p1`的对象。由于没有传入任何参数，因此默认构造函数被调用。然后，我们打印出`p1`对象的`name`和`age`成员变量的值，它们分别为`Unknown`和0。

接下来，我们使用带参数的构造函数创建一个名为`p2`的对象。我们传入字符串`"John"`和整数`25`作为参数，因此带参数的构造函数被调用。然后，我们打印出`p2`对象的`name`和`age`成员变量的值，它们分别为`John`和25。

在程序结束时，对象`p1`和`p2`超出了它们的作用域，因此它们被销毁。在对象销毁的过程中，析构函数被自动调用。在示例中，我们在析构函数中打印了一条消息来表示析构函数被调用。

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## 二、函数的分类和调用 ##

### 1. 分类 ###

1.  默认构造函数：如果类没有显式定义构造函数，则编译器会自动生成一个默认构造函数。默认构造函数没有参数，也不执行任何初始化操作。它在创建对象时被隐式调用。
2.  带参数的构造函数：带参数的构造函数接受一个或多个参数，并用这些参数来初始化对象的成员变量。它们在对象创建时被调用，并且根据传入的参数的类型和数量来确定使用哪个构造函数。
3.  拷贝构造函数：拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，它接受一个同类对象的引用作为参数，并使用该对象的值来初始化新创建的对象。拷贝构造函数在以下情况下被调用：
    
     *  使用一个对象初始化另一个对象时
     *  将对象作为函数参数传递给函数
     *  从函数返回对象

### 2. 调用方式 ###

1.  直接调用：可以通过类名加括号的方式直接调用构造函数。例如：`MyClass obj(10);`
2.  隐式调用：构造函数在创建对象时隐式调用。例如：`MyClass obj = MyClass(10);`，这里会调用带参数的构造函数来创建对象。
3.  拷贝初始化：使用一个对象初始化另一个对象时，会调用拷贝构造函数。例如：`MyClass obj1(10); MyClass obj2 = obj1;`
4.  函数参数传递：将对象作为函数参数传递给函数时，会调用拷贝构造函数。例如：`void func(MyClass obj);`，在调用函数`func(obj)`时会调用拷贝构造函数。
5.  函数返回对象：从函数返回对象时，会调用拷贝构造函数。例如：`MyClass func() { return MyClass(10); }`

### 3. 示例代码 ###

#include <iostream>
    using namespace std;
    
    class MyClass {
        
    public:
        int num;
    
        // 默认构造函数
        MyClass() {
        
            num = 0;
            cout << "Default constructor called" << endl;
        }
    
        // 带参数的构造函数
        MyClass(int n) {
        
            num = n;
            cout << "Parameterized constructor called" << endl;
        }
    
        // 拷贝构造函数
        MyClass(const MyClass& obj) {
        
            num = obj.num;
            cout << "Copy constructor called" << endl;
        }
    
        // 析构函数
        ~MyClass() {
        
            cout << "Destructor called" << endl;
        }
    };
    
    int main() {
        
        // 直接调用构造函数
        MyClass obj1(10);
    
        // 隐式调用构造函数
        MyClass obj2 = MyClass(20);
    
        // 拷贝初始化
        MyClass obj3(obj1);
    
        // 函数参数传递
        void func(MyClass obj);
        func(obj1);
    
        // 函数返回对象
        MyClass func();
        MyClass obj4 = func();
    
        return 0;
    }

### 4. 输出结果： ###

Parameterized constructor called
    Parameterized constructor called
    Copy constructor called
    Copy constructor called
    Destructor called
    Destructor called
    Destructor called
    Destructor called

### 5. 代码解释 ###

在上述示例中，我们定义了一个名为`MyClass`的类，它包含一个成员变量`num`和多个构造函数。我们创建了多个对象，并通过不同的方式调用构造函数。

首先，我们通过直接调用构造函数创建了对象`obj1`，它会调用带参数的构造函数。然后，我们通过隐式调用构造函数创建了对象`obj2`，它也会调用带参数的构造函数。

接下来，我们通过拷贝初始化创建了对象`obj3`，它使用对象`obj1`的值来初始化。在拷贝初始化过程中，会调用拷贝构造函数。

然后，我们定义了一个函数`func`，它接受一个`MyClass`对象作为参数。在调用函数`func(obj1)`时，会调用拷贝构造函数来将对象`obj1`传递给函数。

最后，我们定义了一个函数`func`，它返回一个`MyClass`对象。在调用函数`func()`并将返回的对象赋值给`obj4`时，会调用拷贝构造函数。

在程序结束时，所有对象超出了它们的作用域，因此它们被销毁。在对象销毁的过程中，析构函数被自动调用。在示例中，我们在析构函数中打印了一条消息来表示析构函数被调用。

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## 三、拷贝构造函数的时机 ##

1.  **使用一个对象初始化另一个对象时**：当使用一个已经存在的对象来初始化一个新对象时，会调用拷贝构造函数。例如：

class MyClass {
        
    public:
        MyClass(int value) : m_value(value) {
        }
        MyClass(const MyClass& other) : m_value(other.m_value) {
        
            std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;
        }
    private:
        int m_value;
    };
    
    MyClass obj1(10);
    MyClass obj2 = obj1; // 调用拷贝构造函数

1.  **将对象作为函数参数传递给函数**：当将对象作为函数参数传递给函数时，会调用拷贝构造函数。例如：

class MyClass {
        
    public:
        MyClass(int value) : m_value(value) {
        }
        MyClass(const MyClass& other) : m_value(other.m_value) {
        
            std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;
        }
    private:
        int m_value;
    };
    
    void func(MyClass obj) {
        
        // Do something with obj
    }
    
    MyClass obj1(10);
    func(obj1); // 调用拷贝构造函数

1.  **从函数返回对象**：当从函数返回对象时，会调用拷贝构造函数。例如：

class MyClass {
        
    public:
        MyClass(int value) : m_value(value) {
        }
        MyClass(const MyClass& other) : m_value(other.m_value) {
        
            std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;
        }
    private:
        int m_value;
    };
    
    MyClass func() {
        
        MyClass obj(10);
        return obj; // 调用拷贝构造函数
    }

1.  **在使用类对象进行赋值操作时，也会调用拷贝构造函数**。例如：

**需要注意的是，编译器有时会进行优化，避免不必要的拷贝构造函数的调用。这种优化称为“拷贝消除”（copy elision）。在某些情况下，编译器可能会直接将对象的值从一个位置移动到另一个位置，而不是进行拷贝构造函数的调用。这可以提高性能，但是不会调用拷贝构造函数。**

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## 四、构造函数调用规则 ##

构造函数调用规则如下：

1.  **默认构造函数**：如果没有显式定义构造函数，编译器会自动生成一个默认构造函数。默认构造函数没有参数，并且执行默认的初始化操作。当创建对象时，如果没有提供参数，会调用默认构造函数。
2.  **参数化构造函数**：参数化构造函数接受一个或多个参数，并用这些参数来初始化对象的成员变量。当创建对象时，如果提供了参数，会调用对应的参数化构造函数。
3.  **拷贝构造函数**：拷贝构造函数接受一个同类型的对象作为参数，并使用该对象的值来初始化新对象。拷贝构造函数可以用于对象的拷贝初始化、函数参数传递和函数返回对象等场景。
4.  **移动构造函数**：移动构造函数是C++11引入的新特性，它接受一个右值引用作为参数，并使用该参数的值来初始化新对象。移动构造函数通常用于在对象的资源所有权转移时提高性能。

构造函数的调用规则如下：

*  当创建对象时，会根据提供的参数类型和数量来选择合适的构造函数进行调用。如果没有提供参数，则会调用默认构造函数。
 *  当使用一个对象来初始化另一个对象时，会调用拷贝构造函数。
 *  当将对象作为函数参数传递给函数时，会调用拷贝构造函数。
 *  当从函数返回对象时，会调用拷贝构造函数。
 *  在使用类对象进行赋值操作时，也会调用拷贝构造函数。
 *  在某些情况下，编译器会进行优化，避免不必要的拷贝构造函数的调用。这种优化称为“拷贝消除”（copy elision）。

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## 五、深拷贝和浅拷贝 ##

**浅拷贝**是指将一个对象的值复制到另一个对象，包括对象的成员变量。这意味着两个对象共享相同的内存地址，对其中一个对象的修改会影响到另一个对象。浅拷贝只复制了对象的表面层次，没有复制对象所拥有的资源。

**深拷贝**是指将一个对象的值复制到另一个对象，并且为新对象分配独立的内存空间。这样两个对象就拥有了彼此独立的内存空间，对其中一个对象的修改不会影响到另一个对象。深拷贝会递归地复制对象的所有成员变量，包括对象所拥有的资源。

**示例代码：**

#include <iostream>
    #include <cstring>
    
    class Person {
        
    public:
        Person(const char* name, int age) {
        
            m_name = new char[strlen(name) + 1];
            strcpy(m_name, name);
            m_age = age;
        }
        
        // 拷贝构造函数
        Person(const Person& other) {
        
            m_name = new char[strlen(other.m_name) + 1];
            strcpy(m_name, other.m_name);
            m_age = other.m_age;
        }
        
        // 析构函数
        ~Person() {
        
            delete[] m_name;
        }
        
        // 打印信息
        void printInfo() {
        
            std::cout << "Name: " << m_name << ", Age: " << m_age << std::endl;
        }
        
    private:
        char* m_name;
        int m_age;
    };
    
    int main() {
        
        Person person1("Alice", 25);
        Person person2 = person1; // 浅拷贝
        person1.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        
        person1.printInfo(); // 输出：Name: Bob, Age: 30
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        
        return 0;
    }

在上面的示例中，我们定义了一个`Person`类，其中包含一个字符串类型的成员变量`m_name`和一个整型的成员变量`m_age`。在构造函数中，我们使用`new`运算符为`m_name`分配了独立的内存空间，并将字符串复制到该内存空间中。

然后，我们创建了一个`person1`对象，并将其值赋给`person2`对象。由于默认的拷贝构造函数是浅拷贝，所以`person2`对象的`m_name`指针指向了与`person1`对象相同的内存空间。当我们修改`person2`对象的`m_name`时，实际上也会修改`person1`对象的`m_name`。这就是浅拷贝的特点。

为了实现深拷贝，我们需要自定义拷贝构造函数，并在其中为`m_name`分配独立的内存空间，并将字符串复制到该空间中。这样，`person2`对象就拥有了自己独立的`m_name`内存空间，对其进行修改不会影响到`person1`对象。

总结起来，浅拷贝只复制对象的表面层次，而深拷贝会递归地复制对象的所有成员变量，包括对象所拥有的资源。深拷贝需要自定义拷贝构造函数来实现。

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## 六、初始化列表 ##

初始化列表是一种在构造函数中初始化成员变量的方法，可以用于实现深拷贝。

在上面的示例中，我们可以使用初始化列表来实现深拷贝，而不需要在拷贝构造函数中手动分配内存和复制字符串。

下面是使用初始化列表实现深拷贝的示例：

#include <iostream>
    #include <cstring>
    
    class Person {
        
    public:
        Person(const char* name, int age) : m_age(age) {
        
            m_name = new char[strlen(name) + 1];
            strcpy(m_name, name);
        }
        
        // 拷贝构造函数
        Person(const Person& other) : m_age(other.m_age) {
        
            m_name = new char[strlen(other.m_name) + 1];
            strcpy(m_name, other.m_name);
        }
        
        // 析构函数
        ~Person() {
        
            delete[] m_name;
        }
        
        // 打印信息
        void printInfo() {
        
            std::cout << "Name: " << m_name << ", Age: " << m_age << std::endl;
        }
        
    private:
        char* m_name;
        int m_age;
    };
    
    int main() {
        
        Person person1("Alice", 25);
        Person person2 = person1; // 深拷贝
        person1.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        
        person1.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25
        
        return 0;
    }

在上面的示例中，我们在构造函数的初始化列表中分配了独立的内存空间，并将字符串复制到该空间中。这样，`person2`对象就拥有了自己独立的`m_name`内存空间，对其进行修改不会影响到`person1`对象。

使用初始化列表可以简化代码，并且可以确保在对象构造时成员变量已经正确初始化。这对于实现深拷贝非常有用。

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## 七、类对象作为类成员 ##

当一个类的成员变量是另一个类的对象时，我们需要在拷贝构造函数中正确地拷贝这些成员变量。

以下是一个示例，其中`Person`类的一个成员变量是`Address`类的对象：

#include <iostream>
    #include <cstring>
    
    class Address {
        
    public:
        Address(const char* city, const char* street) {
        
            m_city = new char[strlen(city) + 1];
            strcpy(m_city, city);
            
            m_street = new char[strlen(street) + 1];
            strcpy(m_street, street);
        }
        
        Address(const Address& other) {
        
            m_city = new char[strlen(other.m_city) + 1];
            strcpy(m_city, other.m_city);
            
            m_street = new char[strlen(other.m_street) + 1];
            strcpy(m_street, other.m_street);
        }
        
        ~Address() {
        
            delete[] m_city;
            delete[] m_street;
        }
        
        void printInfo() {
        
            std::cout << "City: " << m_city << ", Street: " << m_street << std::endl;
        }
        
    private:
        char* m_city;
        char* m_street;
    };
    
    class Person {
        
    public:
        Person(const char* name, int age, const Address& address) : m_age(age), m_address(address) {
        
            m_name = new char[strlen(name) + 1];
            strcpy(m_name, name);
        }
        
        Person(const Person& other) : m_age(other.m_age), m_address(other.m_address) {
        
            m_name = new char[strlen(other.m_name) + 1];
            strcpy(m_name, other.m_name);
        }
        
        ~Person() {
        
            delete[] m_name;
        }
        
        void printInfo() {
        
            std::cout << "Name: " << m_name << ", Age: " << m_age << std::endl;
            m_address.printInfo();
        }
        
    private:
        char* m_name;
        int m_age;
        Address m_address;
    };
    
    int main() {
        
        Address address("New York", "Broadway");
        Person person1("Alice", 25, address);
        Person person2 = person1; // 深拷贝
        person1.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25, City: New York, Street: Broadway
        person2.printInfo(); // 输出：Name: Alice, Age: 25, City: New York, Street: Broadway
        
        return 0;
    }

在上面的示例中，`Person`类的一个成员变量是`Address`类的对象。在`Person`类的拷贝构造函数中，我们使用拷贝构造函数来正确地拷贝`Address`对象。这样，当我们拷贝一个`Person`对象时，`Person`对象和其成员变量`Address`对象都会进行深拷贝。

需要注意的是，在`Person`类的析构函数中，我们只需要释放`m_name`成员变量的内存空间，因为`m_address`成员变量的内存空间会在`Address`类的析构函数中释放。

总结起来，当一个类的成员变量是另一个类的对象时，我们需要在拷贝构造函数中正确地拷贝这些成员变量，以实现深拷贝。

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## 八、静态成员 ##

静态成员变量是属于类本身而不是类的实例的。因此，在拷贝构造函数中不需要拷贝静态成员变量，因为它们在所有类的实例之间是共享的。

以下是一个示例，其中`Person`类有一个静态成员变量`count`：

#include <iostream>
    
    class Person {
        
    public:
        Person(const char* name, int age) : m_age(age) {
        
            m_name = new char[strlen(name) + 1];
            strcpy(m_name, name);
            count++;
        }
        
        Person(const Person& other) : m_age(other.m_age) {
        
            m_name = new char[strlen(other.m_name) + 1];
            strcpy(m_name, other.m_name);
            count++;
        }
        
        ~Person() {
        
            delete[] m_name;
            count--;
        }
        
        static int getCount() {
        
            return count;
        }
        
    private:
        char* m_name;
        int m_age;
        static int count;
    };
    
    int Person::count = 0;
    
    int main() {
        
        Person person1("Alice", 25);
        Person person2 = person1; // 深拷贝
        std::cout << "Count: " << Person::getCount() << std::endl; // 输出：Count: 2
        
        return 0;
    }

在上面的示例中，`Person`类有一个静态成员变量`count`，用于记录创建的`Person`对象的数量。在构造函数中，我们通过递增`count`来跟踪对象的数量，在析构函数中通过递减`count`来更新对象的数量。

在拷贝构造函数中，我们不需要拷贝静态成员变量`count`，因为它是属于类本身而不是类的实例。因此，在拷贝构造函数中只需要拷贝非静态成员变量即可。

总结起来，静态成员变量不需要在拷贝构造函数中进行拷贝，因为它们是属于类本身而不是类的实例。

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