[C++知识库]侯捷 C++面向对象开发 (1) 面向过程

0. 前言

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• 本文对应的课程： 面向过程

  • 包括第二课到第十课，相关内容主要是以实现 Complex 类与 String 类为目标
  • 介绍了类创建的基本语法、思路

• 一些原则：

  • 构造函数使用 intialize list（即冒号）
  • 成员函数尽可能添加 const（即常量成员函数）
  • 参数传递尽量 pass by reference
  • 函数返回值尽量 return by reference
  • 函数绝大部分在 public，成员变量尽可能放在 private 中

第二课 - 头文件与类的声明

• 区分基于对象（Object Based）和面向对象（Object Oriented）
• C++代码基本形式：.h(自己写/第三方的头文件) + .cpp(自己写/第三方的源码) + .h(标准代码库，编译器提供)

• 头文件防卫式声明，即 #ifndef/#define/#endif

  • 所有头文件都应该使用这种结构

• 头文件布局

• class 的声明（即上图中的 1 部分），设计有哪些数据、哪些操作
• class template 简介，即模版
  • 如一个复数类(Complex)，拥有两个参数，分别表示实部与虚部。
  • 实部与虚部的数据类型不确定，可能都是 int、都是 float、都是 double。
  • 为了实现上面这个需求，就可以使用模版类。

第三课-构造函数

• inline（内联）函数

  • 在函数体（class body）内定义的函数就是内联函数
  • 函数体外定义的函数，可以使用 inline 关键字修饰，成为内联函数
  • inline 能提高运行速度
  • 理想状态下，所有函数都是inline就最好了，但编译器不允许。代码中定义的inline function只是对编译器的建议，最终是否真正成为inline看编译器选择。

• 访问级别：private/protected/public，可以交叉、重复出现

• 构造函数

  • 函数名与类名相同，且没有返回类型，用于创建对象的实例
  • 只用于创建对象，已经创建好的对象不能调用
  • 尽可能使用分号构造函数形式，效率高一些
  • 构造函数位于 private 中的内容
  • 由于有默认参数，所以可能会出现歧义，这时候就会导致编译错误。

• 重载（overloading）：函数名相同，参数不同，C语言中不支持这种语法。

  • 实现原理：编译器中的函数名包括了参数数量、参数名称等

第四课-函数传递与返回值

• 构造函数放在 private 区域：不允许别人构造函数，如单例模式

• 常量成员函数（如 double real() const {return re;}）：

  • 定义：不改变成员变量数值
  • 在定义和声明中都应加const限定
  • 常量（const对象）对象只能调用常量成员函数

• 函数传递

  • 按值传递（by value）：整包传递
  • 引用传递（by reference）：
    • C中使用指针（4个字节，存储地址空间）
    • C++中使用引用（底层实现是指针，性能就像指针，但形式更漂亮）
    • 修改引用中的参数就会导致外部对象的内容改变，如果不希望这样，可以使用 const reference
    • reference 的主要作用就是参数值传递和返回值传递
    • 使用 reference 的主要原因是效率

• 返回值传递：也分为 by value 和 by reference，尽可能使用后者

• 友元（friend）

  • 友元函数：可以调用形参的非 public 成员变量
  • 友元不利于“封装”特性
  • 相同 class 的各个 objects 互为友元

• 类的总体设计原则

  • 数据全部是 private
  • 传参尽可能使用 reference，需要不需要 const 看情况
  • 返回值尽可能使用 reference
  • 成员函数尽可能使用 const 修饰
  • 构造函数使用 initialization list（即冒号）

• 不可以使用 return by reference 的情况

  • 在函数体内部创建了一个对象作为函数的返回值时，不能传递这个对象的引用
  • 因为是局部变量，函数运行完了对象就销毁了，对象的引用就没有意义
  • 传递着无需知道接受者是以 reference 接收（如果是指针，就必须先确定是指针）

第五课-操作符重载与临时对象

• 操作符重载-成员函数

  • 成员函数有默认形参 this，编译器会自动添加到成员函数的形参中（位置不一定，根据成员函数确定）
  • 如果只有 c2 += c1 这种用法，那么对应的函数实现为 void complex::operator += (const complex &r) 就可以了，注意，返回值类型是 void。
  • 如果要支持 c3 += c2 += c1，那么返回值类型必须是 complex&，即 complex& complex::operator += (const complex& r)

• 操作符重载-非成员函数

  • 全局函数，没有 this，形参包括两个参数
  • 返回的是value而不是reference，因为返回的是local object（局部对象）
  • 常用的特殊语法 typename(); 用于创建临时对象，不能用于 returen by reference

complex c1(2, 1);
complex c2;

// 创建临时对象
complex();
complex(4, 5);
// 上面两个对象到这一步就没有了

第六课-复习Complex类的实现过程

• 新手比较适合看，我就听了一遍

第七课-拷贝构造，构造复制，析构

• 拷贝构造
  • 定义时形如 String(const String& str);
  • 使用时形如 String s3(s1);
  • 参数第一次出现
• 构造复制
  • 定义时形如 String& operator=(const String& str);
  • 形如 s3 = s2;
  • 参数s3不是第一次出现，之前已经声明过
  • 基本构造流程：
  • 基本实现：
    • 自我检测（自我赋值），如果没有定义在进行自我赋值（如a = a）时会报错，因为第一步就是删除内存。
    • 自己删除+新建+拷贝

• 析构
  • 当对象死亡时会自动调用，名称与类名称相同，前面添加波浪号 ~
  • 定义时形如 ~String();
  • 一个主要作用是防止内存泄漏。所谓内存泄漏，就是在对象死亡后，其对应的“动态分配”的内存并没有收回。
• 拷贝构造和拷贝复制的默认实现以及必要性
  • 如果没有自己定义，那编译器会默认实现，默认行为就是按照数值一个一个复制，就是浅拷贝。
  • 要不要自己重新实现，主要要关注的是成员变量中是否存在指针。
  • 如果有指针就必须自己实现，这是因为：
    • 对于拷贝构造，如果直接复制指针，会导致内存泄漏（被赋值的指针原本指向的地址空间没人处理了）
    • 如下图所示，第一行是定义了两个String对象，第二行就是默认拷贝赋值操作，可以看到这只是浅拷贝，有内存泄漏产生。

// 拷贝构造的形式（下面三个都是）
String s1("hello");
String s2(s1);
String s3 = s1;// 因为创建了新的对象，所以就是利用构造函数实现

• 字符串的两种设计
  • PASCAL：前面有常数，指定字符数量，后面跟着字符数量
  • C/C++：以特定字符（如\0）结尾

第八课-堆，栈与内存管理

• String 重载 << 符号必须使用全局函数，而不是成员函数

  • 如果是成员函数，那么在使用过程中 cout 和 String 对象的位置是相反的，即 str << cout
  • 全局函数参数分为两个，一个是 ostream，令一个就是 String 对象
  • 为了实现连续操作（如 out << str1 << str2），重载函数的返回值需要是 ostream& 的形式

• 堆与栈的定义

  • 栈（stack）是存在于某作用域（scope）内的一块内存空间（memory space）。

    • 例如，调用函数时，函数内部就会形成一个stack，放置参数、返回值地址。

  • 堆（heap），即system heap，是指由操作系统提供的一块global内存空间，程序可动态分配（dynamic allocated）从中获取若干块（blocks）

    • 一般都是通过 new 来获取内存空间

  • 举例如下：

class Complex {...};
...
{
    Complex c1(1, 2); // stack
    Complex c2 = new Complex(3); // heap
}

• 生命期

  • stack objects：作用域（scope）结束之后结束，会自动调用析构函数。
    • 作用域内object，就是局部变量，也称为 auto object，所谓 auto 就是会被自动清理
  • static local objects：
    • 写法：在一个 scope 中的成员变量通过 static 修饰
    • 在作用域结束后仍然存在，直到程序结束才会调用析构函数
  • global objects：
    • 写法：写在任何作用域之外（任何大括号之外）的对象
    • 程序结束之后才会结束
    • 可以看成是一个static对象
  • heap objects：
    • 通过 new 创建，通过 delete 结束
    • 如果没有 delete 就会造成内存泄漏
    • 所谓内存泄漏（memory leak），就是当作用域结束，p所指的heap object仍然存在，但p的声明周期已经结束，作用域之外再也看不到p（没有机会 delelete p）

• new 的细节：先分配memory，再调用构造函数，具体情况参考下图

  • operator new 是 C++ 提供的特殊函数，函数名中包含了空格，本质就是C++版的 malloc
  • sizeof 就是两个成员变量（即两个double），8字节
  • 数据转型，即 static_cast
  • 调用构造函数。构造函数是一个函数名称与class名相同的函数。构造函数的全名就是 Complex::Complex(pc, 1, 2)，其中 pc 就是对象本身

• delete 的细节：先调用析构函数，再释放内存
  • 析构函数删除指针指向的内容，即动态内存。这个析构函数是自己定义，而不是默认的。
  • operator delete 是C++的一个特殊函数，函数名包括空格，用来释放内存。

• 动态分配内存的底层细节，即 malloc 和 free 的细节
  • 下图是在VC下的实现，其他编译器可能不完全一样，但也差不了太多
  • 最左边是Debug模式下Complex对象的内存分配
    • 红色区域是编译器分配的cookie，首尾各4字节
    • 灰色区域是Debug模式特有的，前32字节后4字节
    • 绿色区域是实际Complex对象，8字节（两个double对象）
    • 深绿色区域是pad，因为VC下分配的内存（memory block）必须是16的倍数，前面全部加起来是52字节，会自动pad到64字节，所以需要增加12字节
  • 第二列是Release模式下Complex对象的内存分配，就是cookie加上Complex对象，即16字节，不需要pad
  • 第三列是Debug模式下，String对象的内存分配，灰色区域大小与之前Complex对象不变，String对象本体4字节（只有一个指针），计算后得到48字节，无序pad。
  • 第四列是Release模式下，String的内存分配，在计算cookie和本体后得到12字节，需要pad为16字节。
  • cookie的作用：记录对象的内存大小以及状态
    • 比如第一列是 41，这是16进制，对应10进制就是65。
    • 其中40就是字节数。
    • 末尾的1表示这一块是给出去（1）还是收回来（0）

• 数组动态分配内存的底层细节
  • 最左边的介绍一下：首尾两个cookie各4字节，debug 模式相关的是32+4字节，保存数组长度（即图中的3）需要4字节，实际三个Complex对象，需要8*3字节，pad 8字节达到16的倍数

• char *data = new char[10] 需要搭配 delete[] data，为什么
  • 左边的图，使用 delete[] p 就会调用三次析构函数
  • 右边的图，使用delete p，只调用一次析构函数（注意，调用了析构函数）

第九课-复习String类的实现过程

第十课-扩展补充：类模版，函数模版，及其他

• static

  • 普通成员函数有隐藏参数 this
  • static 没有隐藏参数 this
  • 静态变量要在class定义外定义
  • 静态函数可以通过 object 或 class name调用
  • 单例模式的实现

• cout

  • cout 是一种 ostream
  • 重载了各种类型的 << 方法

• 类模版class template

• namespace