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。
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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
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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。
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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。
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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
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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)。
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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
- 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)。 - 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。 - 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,详细内容参见 "参考资料九"
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关于隐式类型转换
有时候会写出如下的代码
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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。
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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。
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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。
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如需解决指针问题或更多操作,需要重载相应的构造函数。
更多 构造函数(constructor)内容,参见「参考资料」第六条。
参考资料
- cppreference class
- cppreference access
- cppreference default_constructor
- cppreference operator
- cplusplus Data structures
- cplusplus Special members
- C++11 FAQ
- cppreference Friendship and inheritance
- cppreference value initialization
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