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C++核心编程

时间:2021-03-09 13:17:24                        主要针对C++面向对象编程技术做详细讲解,探讨C++中的核心和精髓。

1.内存分区模型

C++程序在执行时,将内存大方向划分为4个区域

  • 代码区:存放函数体的二进制代码,由操作系统进行管理

  • 全局区:存放全局变量和静态变量以及常量

  • 栈区:由编译器自动分配释放,存放函数的参数值,局部变量等

  • 堆区:由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

内存四区意义:

不同区域存放的数据,赋予不同的生命周期,给我们更大的灵活编程

1.1 程序运行前

在程序编译后,生成了exe可执行程序,未执行该程序前分为两个区域

代码区

  • 存放CPU执行的机器指令

  • 代码区是共享的,共享的目的是对于频繁被执行的程序,只需要在内存中有一份代码即可

  • 代码区是只读的,使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令

全局区

  • 全局变量和静态变量存放在此

  • 全局区还包含了常量区,字符串常量和其他常量(const修饰的全局变量)也存放在此

  • 该区域的数据在程序结束后由操作系统释放

1.2 程序运行后

栈区

  • 由编译自动分配释放,存放函数的参数值、局部变量等

注意事项:不要返回局部变量的地址,因为栈区开辟的数据由编译器自动释放

堆区

  • 由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

在C++中主要利用new在堆区开辟内存

1.3 new操作符

C++中利用new操作符在堆区开辟数据

堆区开辟的数据,由程序员手动开辟,手动释放,释放利用操作符delete

语法:new 数据类型

利用new创建的数据,会返回该数据对应的类型的指针

引用

2.1引用的基本使用

作用:给变量起别名

语法:数据类型 &别名= 原名

2.2 引用注意事项

  • 引用必须初始化

  • 引用在初始化后,不可以改变

2.3 引用做函数参数

作用:函数传参时,可以利用引用的技术让形参修饰实参

优点:可以简化指针修改实参

总结:通过引用参数产生的效果同按地址传递是一样的。引用的语法更清楚简单

2.4 引用做函数的返回值

作用:引用可以作为函数的返回值存在的

注意:不要返回局部变量音乐

用法:函数调用作为左值

2.5引用的本质

本质:引用的本质在C++内部实现一个指针常量

2.6 常量引用

作用:常量引用主要用来修饰形参,防止误操作

在函数形参列表中,可以加const修饰形参,防止形参改变实参

3 函数提高

3.1 函数默认参数

在C++中,函数的形参列表中的形参是可以有默认值的。

语法:返回值类型 函数名(参数 = 默认值){}

注意事项:

  1. 如果某个位置已经有了默认参数,那么从这个位置往后,从左到右都必须有默认值

  2. 如果函数的声明有默认参数,函数实现就不能有默认参数。声明和实现只能有一个有默认参数

3.2 函数占位参数

C++中函数的形参列表里可以占位参数,用来做占位,调用函数时必须填补该位置

语法:返回值类型 函数名(数据类型){}

3.3 函数重载

3.3.1 函数重载概述

作用:函数名可以相同,提高复用性

函数重载满足条件:

  • 同一个作用域下

  • 函数名称相同

  • 函数参数类型不同 或者 个数不同 或者 顺序不同

注意:函数的返回值不可以作为函数重载的条件

3.3.2 函数重载注意事项

  • 引用作为重载条件

  • 函数重载碰到函数默认参数

4 类和对象

C++面向对象的三大特性为:封装、继承、多态

C++ 认为万事万物都皆为对象,对象上有其属性和行为

4.1 封装

4.1.1 封装的意义

封装是C++面向对象三大特性之一

封装的意义:

  • 将属性和行为作为一个整体,表现生活中的事物

  • 将属性和行为加以权限控制

封装意义一:

?在设计类的时候,属性和行为写在一起,表现事物

语法:class 类名{ 访问权限: 属性 / 行为};

示例:

#include <iostream>using namespace std;const double PI = 3.14;class Circle{public:    // 半径    int m_r;    //获取圆的周长    double calculate()    {        return 2 * m_r * PI;    }};int main(){    // 通过圆类 创建具体的圆    Circle circle;    circle.m_r = 10;    cout << " 圆的周长: " << circle.calculate() << endl;}

封装意义二:

类在设计时,可以把属性和行为放在不同的权限下,加以控制

访问权限有三种:

  1. public 公共权限 成员 类内可以访问 类外可以访问

  2. protected 保护权限 成员 类内可以访问 类外不可以访问 儿子可以访问父亲中的保护内容

  3. private 私有权限 成员 类内可以访问 类外不可以访问 儿子不可以访问父亲的私有内容

4.1.2 struct和class区别

在C++中struct和class唯一的区别就在于默认的访问权限不同

区别:

  • struct默认权限为公共

  • class默认权限为私有

4.1.3 成员属性设置为私有

优点:

  • 将所有成员属性设置为私有,可以自己控制读写权限

  • 对于写权限,我们可以检测数据的有效性

4.2 对象的初始化和清理

  • 生活中我们买的电子产品都基本会有出厂设置,在某一天我们不用时候也会删除一些自己信息数据保证安全

  • C++中的面向对象来源与生活,每个对象也都会有初始设置以及对象销毁前的清理数据的设置

4.2.1 构造函数和析构函数

对象的初始化和清理也是两个非常重要的安全问题

?一个对象或者变量没有初始状态,对其使用后果是未知

?同样的使用完一个对象或变量,没有及时清理,也会造成一定的安全问题

C++利用了构造函数和析构函数解决上述问题,这两个函数将会被编译器自动调用,完成对象初始化和清理工作。

对象的初始化和清理工作是编译器强制要我们做的事情,因此如果我们不提供构造和析构,编译器会提供编译器提供的构造函数和析构函数是空实现。

  • 构造函数:主要作用在于创建对象的成员属性赋值,构造函数由编译器自动调用,无须手动调用

  • 析构函数:主要作用在于对象销毁前系统自动调用,执行一些清理工作

构造函数语法:类名(){}

  1. 构造函数,没有返回值也不写void

  2. 函数名称与类名相同

  3. 构造函数可以有参数,因此可以发生重载

  4. 程序在调用对象时候会自动调用构造,无须手动调用,而且只会调用一次

析构函数语法:~类名(){}

  1. 析构函数,没有返回值也不写void

  2. 函数名称与类名相同,在名称前加上符号~

  3. 析构函数不可以有参数,因此不可以发生重载

  4. 程序在对象销毁前会自动调用析构,无须手动调用,而且只会调用一次

示例:

#include <iostream>using namespace std;class Person{   public:    Person()    {        cout << "Person 构造函数的调用" << endl;    }    ~Person()    {        cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;    }};int main(){    Person person;}

4.2.2 构造函数的分类及调用

两种分类方式:

  • 按参数分为:有参构造和无参构造

  • 按类型分为:普通构造和拷贝构造

三种调用方式:

  • 括号法

  • 显示法

  • 隐式转换法

示例:

#include <iostream>using namespace std;class Person{   public:    Person()    {        cout << "Person 无参构造函数的调用" << endl;    }    Person(int a)    {        age = a;        cout << "Person 有参构造函数的调用" << endl;    }    //拷贝构造函数    Person(const Person &person)    {        age = person.age;        cout << "Person 拷贝构造函数的调用" << endl;    }    ~Person()    {        cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;    }private:    int age;};int main(){    //括号法    Person p; //默认构造函数的调用    Person p2(10); // 有参构造函数的调用    Person p3(p2); // 拷贝构造函数的调用    // 调用默认构造函数不要是加()    // 因为下面的代码,编译器会认为是一个函数的声明,不会认为在创建对象    //Person p();     //显示法    Person p21;    Person p22 = Person(10);    Person p23 = Person(p22);    Person(10); // 匿名对象 特点:当前行执行结束后,系统会立即回收掉匿名对象    // 不要利用拷贝构造函数 初始化匿名对象 编译器会认为Person (p23) === Person p23; 对象的声明    //Person(p23);    //隐式转换法    Person p4 = 10; // 相当于 写了 Person p4 = Person(10);    Person p5 = p4; // 拷贝构造}

拷贝构造函数调用时机

C++中拷贝构造函数调用时机通常有三种情况:

  • 使用一个已经创建完毕的对象来初始化一个新对象

  • 值传递的方式给函数参数传值

  • 以值方式返回局部对象

示例:

#include <iostream>using namespace std;class Person{public:     Person()    {        cout << "Person 无参构造函数的调用" << endl;    }    Person(int a)    {        age = a;        cout << "Person 有参构造函数的调用" << endl;    }    Person(const Person &person)    {        age = person.age;        cout << "Person 拷贝构造函数的调用" << endl;    }    ~Person()    {        cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;    }private:    int age;};void doWork(Person p){}Person doWork1(){    Person p1;    return p1;}int main(){    // 使用一个已经创建完毕的对象来初始化一个新对象    Person p1(20);    Person p2(p1);    // 值传递的方式给函数参数传值    doWork(p1);    // 以值方式返回局部对象    Person p3 = doWork1();}

4.2.4 构造函数的调用规则

默认情况下,C++编译器至少给一个类添加3个函数

  1. 默认构造函数(无参,函数体为空)

  2. 默认析构函数(无参,函数体为空)

  3. 默认拷贝构造函数,对属性进行值拷贝

构造函数调用规则如下:

  • 如果用户定义有参构造函数,C++不在提供默认无参构造,但是会提供默认拷贝构造

  • 如果用户定义拷贝构造函数,C++不会再提供其他构造函数

深拷贝与浅拷贝

深拷贝是面试经典问题,也是常见的一个坑

浅拷贝:简单的复制拷贝操作

深拷贝:在堆区重新申请空间,进行拷贝操作

示例:

#include <iostream>using namespace std;class Person{public:     Person()    {        cout << "Person 无参构造函数的调用" << endl;    }    Person(int a, int h)    {        age = a;        height = new int(h);        cout << "Person 有参构造函数的调用" << endl;    }    Person(const Person &person)    {        age = person.age;        cout << "Person 拷贝构造函数的调用" << endl;    }    // 自己实现拷贝构造函数 解决浅拷贝带来的问题    Person(const Person &p)    {        cout << "Person 拷贝构造函数调用" << endl;        age = p.age;        //height = p.height; // 浅拷贝,编译器提供的拷贝构造函数        height = new int(*p.height); // 深拷贝    }    ~Person()    {        // 析构函数,将堆区开辟数据做释放操作        if (height != NULL)        {            delete height;            height = NULL;        }        cout << "Person 析构函数的调用 " << endl;    }private:    int age;    int *height;};void test01(){    Person p1(18, 160);    Person p2(p1);}int main(){    test01();}

4.2.6 初始化列表

作用:C++提供了初始化列表语法,用来初始化属性

语法:构造函数(): 属性1(值1) 属性2(值2)...{}

4.2.7 类对象作为类成员

C++类中的成员是另一个类的对象,我们称该成员为 对象成员

例如:

class A{}class B{    A a;}

B类中有对象A作为成员,A为对象成员

那么当创建B对象时,A与B的构造和析构的顺序是谁先谁后?

构造顺序:先构造其他类对象,再构造自身。

析构顺序:与构造顺序相反

4.2.8 静态成员

静态成员就是在成员变量和成员函数前加上关键字static,成为静态成员

静态成员分为:

  • 静态成员变量

    • 所有对象共享一份数据

    • 在编译阶段分配内存

    • 类内声明,类外初始化

  • 静态成员函数

    • 所有对象共享同一个函数

    • 静态成员函数只能访问静态成员变量

示例:

#include <iostream>using namespace std;class Person{public:    static int a;    static void func()    {        cout << "静态成员函数" << endl;    }private:    static int b;};int Person::a = 100;int Person::b = 200;int main(){    Person p;    cout << p.a << endl;    //通过对象    //p.func();    //p.a = 200;    //cout << p.a << endl;    // 通过类名    Person::func();}

4.3 C++对象模型和this指针

4.3.1 成员变量和成员函数分开存储

在C++中,类内的成员变量和成员函数分开存储

只有非静态成员变量才属于类的对象上

4.3.2 this指针

每一个非静态成员函数只会诞生一份函数实例,也就是说多个同类型的对象会共用一块代码

那么问题是:这一块代码是如何区分那个对象调用自己的呢?

C++ 通过提供特殊的对象指针,this指针,解决上述问题。this指针指向被调用的成员函数所属的对象

this指针是隐含每一个非静态成员函数内的一种指针

this指针不需要定义,直接使用即可

this指针的用途:

  • 当形参和成员变量同名时,可用this指针来区分

  • 在类的非静态成员函数中返回对象本身,可是用return *this

4.3.3 空指针访问成员函数

C++中空指针也是可以调用成员函数的,但是也要注意有没有用到this指针

如果用到this指针,需要加以判断保证代码的健壮性

4.3.4 const修饰成员函数

常函数:

  • 成员函数后加const后我们称为这个函数为常函数

  • 常函数内不可以修改成员属性

  • 成员属性声明时加关键字mutable后,在常函数中依然可以修改

常对象

  • 声明对象前加const称该对象为常对喜爱那个

  • 常对象只能调用常函数

4.4. 友元

友元的目的就是让一个函数或者类 访问另一个类中私有成员

友元的关键字为friend

友元的三种实现

  • 全局函数做友元

  • 类做友元

  • 成员函数做友元

4.5 运算符冲在

运算符重载概念:对已有的运算符重新进行定义,赋予其另一种功能,以适应不同的数据类型

4.5.1 加号运算符重载

作用:实现两个自定义数据类型相加的运算

#include <iostream>using namespace std;class Person{public:    int a;    int b;};// 全局函数重载Person operator+(Person &p1, Person &p2){    Person tmp;    tmp.a = p1.a + p2.a;    tmp.b = p1.b + p2.b;    return tmp;}int main(){    Person p1;    p1.a = 1;    p1.b = 2;    Person p2;    p2.a = 1;    p2.b = 2;    cout << "p1 + p2  a = " << (p1 + p2).a << endl;    cout << "p1 + p2  b = " << (p1 + p2).b << endl;}

左移运算符重载

void operator<<(ostream &cout, Person p)

递增运算符重载

作用:通过重载递增运算符,实现自己i的整型数据

4.5.4 赋值运算符重载

C++编译器至少给一个类添加4个函数

  1. 默认构造函数(无参,函数体为空)

  2. 默认析构函数(无参,函数体为空)

  3. 默认拷贝构造函数、对属性进行值拷贝

  4. 赋值运算符 opertator=,对赋值进行值拷贝

如果类中有属性指向堆区,做赋值操作时也会出现深浅拷贝问题

4.5.5 关系运算符重载

作用:重载关系运算符,可以让两个自定义类型对象进行对比操作

4.5.6 函数调用运算符重载

  • 函数调用运算符()也可以重载

  • 由于重载后使用的方式非常像函数的调用,因此称为伪函数

  • 伪函数没有固定写法,非常灵活

4.6 继承

继承是面向对象三大特性之一

定义某些类时,下级别的成员除了拥有上一级的共性,还有自己的特性。利用继承的技术,减少重复代码。

4.6.1 继承的基本语法

语法:class 子类 : 继承方式 父类{}

4.6.2 继承方式

  • 公共继承

  • 保护继承

  • 私有继承

父类私有方式,子类不管什么继承方式,都是继承不了

子类通过公共继承方式继承父类,那么父类的公共方式、保护方式都可以继承

子类通过保护继承方式继承父类,那么父类的保护方式可以继承

子类通过私有继承方式继承父类,那么父类所有的都继承不了

4.6.3 继承中的对象模型

问题:从父类继承过来的成员,那些属于子类对象?

结论:父类中私有成员也是被子类继承下去了,只是由于编译器给隐藏后访问不到

4.6.4 继承中的构造和析构顺序

子类继承父类后,当创建子类对象,也会调用父类的构造函数

问题:父类和子类的构造和析构顺序是谁先谁后?

结论:父类的构造比子类的构造先,子类的析构比父类的析构先

4.6.5 继承同名成员处理方式

问题:当子类与父类出现同名的成员,如何通过子类对象,访问到子类或父类中同名的数据呢?

  • 访问子类同名成员,直接访问即可

  • 访问父类同名成员,需要加作用域

4.6.6 继承同名静态成员处理方式

问题:继承中同名的静态成员在子类对象上如何进行访问?

静态成员和非静态成员出现同名,处理方式一致

  • 访问子类同名成员 直接访问即可

  • 访问父类同名成员 需要加作用域

4.6.7 多集成语法

C++允许一个类继承多个类

语法:class 子类 : 继承方式 父类1, 继承方式 父类2...

多继承可能会引发父类中有同名成员出现,需要加作用域区分

C++实际开发中不建议用多继承

菱形继承

菱形继承概念:

两个派生类继承同一个基类

又有某个类同时继承这两个派生类

这种继承被称为菱形继承,或者钻石继承

4.7 多态

4.7.1 多态的基本概念

多态是C++面向对象三大特性之一

多态分为两类

  • 静态多态:函数重载 和 运算重载属于静态多态,复用函数名

  • 动态多态:派生类和虚函数实现运行时多态

静态多态和动态多态区别:

  • 静态多态的函数地址早绑定 - 编译阶段确定函数地址

  • 动态多态的函数地址晚绑定 - 运行阶段确定函数地址

动态多态使用:父类的指针或引用 执行子类对象

示例:

#include <iostream>using namespace std;class Animal{public:    // 虚函数     virtual void speak()    {        cout << "动物在说话" << endl;    }};class Cat : public Animal{public:    // 重写,函数返回值,参数列表,函数名完全一样    void speak()    {        cout << "小猫在说话" << endl;    }};class Dog : public Animal{public:    void speak()    {        cout << "小狗在说话" << endl;    }};// 地址早绑定,在编译阶段就确定了函数的地址void doSpeak(Animal &animal){    animal.speak();}int main(){    Cat cat;    doSpeak(cat);    Dog dog;    doSpeak(dog);}

4.7.2 纯虚函数和抽象类

在多态中,通常父类中虚函数的实现是毫无意义的,主要都是调用子类重写的内容

因此可以将虚函数改为纯虚函数

纯虚函数语法:virtual 返回值类型 函数名(参数列表) = 0;

当类中有了纯虚函数,这个类也称为抽象类

抽象类特点:

  • 无法实例化对象

  • 子类必须重写抽象类中的纯虚函数,否则也属于抽象类

#include <iostream>using namespace std;// 抽象类class Base{public:    // 纯虚函数    virtual void func() = 0;};class Son : public Base{public:    void func()    {}};void test01(){    Son Son;}int main(){}

4.7.3 虚析构和纯虚析构

多态使用时,如果子类中有属性开辟到堆区,那么父类指针在释放时无法调用到子类的析构代码

解决方式:将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构

虚析构和纯虚析构共性:

  • 可以解决父类指针释放子类对象

  • 都需要有具体的函数实现

虚析构和纯虚析构区别:

  • 如果是纯虚析构,该类属于抽象类,无法实例化对象

虚析构语法:

virtual ~类名(){}

纯虚析构语法:

virtual ~类名() = 0

类名::~类名(){}

总结:

  1. 虚析构或纯虚析构就是用来解决通过父类指针释放子类对象

  2. 如果子类中没有堆区数据,可以不写为虚析构或纯虚析构

  3. 拥有纯虚析构函数的类也不属于抽象类

5 文件操作

程序运行时产生的数据都属于临时数据,程序一旦运行结束都会被释放

通过文件可以将数据持久化

C++中对文件操作需要包含头文件<fstream>

文件类型分为两种:

  1. 文本文件 - 文件以文本的ASCII码形式存储在计算机中

  2. 二进制文件 - 文件以文本的二进制形式存储在计算机中,用户一般不能直接读懂它们

操作文件的三大类:

  1. ofstream:写操作

  2. ifstream:读操作

  3. fstream:读写操作

5.1 文本文件

5.1.1 写文件

写文件步骤如下:

  1. 包含头文件

    #include<fstream>

  2. 创建流对象

    ofstream ofs;

  3. 打开文件

    ofs.open("文件路径", 打开方式);

  4. 写数据

    ofs << "写入数据";

  5. 关闭文件

    ofs.close();

文件打开方式:

模式标记适用对象作用
ios::inifstream fstream打开文件用于读取数据。如果文件不存在,则打开出错。
ios::outofstream fstream打开文件用于写入数据。如果文件不存在,则新建该文件;如果文件原来就存在,则打开时清除原来的内容。
ios::appofstream fstream打开文件,用于在其尾部添加数据。如果文件不存在,则新建该文件。
ios::ateifstream打开一个已有的文件,并将文件读指针指向文件末尾(读写指 的概念后面解释)。如果文件不存在,则打开出错。
ios:: truncofstream打开文件时会清空内部存储的所有数据,单独使用时与 ios::out 相同。
ios::binaryifstream ofstream fstream以二进制方式打开文件。若不指定此模式,则以文本模式打开。
ios::in | ios::outfstream打开已存在的文件,既可读取其内容,也可向其写入数据。文件刚打开时,原有内容保持不变。如果文件不存在,则打开出错。
ios::in | ios::outofstream打开已存在的文件,可以向其写入数据。文件刚打开时,原有内容保持不变。如果文件不存在,则打开出错。
ios::in | ios::out | ios::truncfstream打开文件,既可读取其内容,也可向其写入数据。如果文件本来就存在,则打开时清除原来的内容;如果文件不存在,则新建该文件。

注意:文件打开方式可以配合使用,利用|操作符

示例:

#include <iostream>#include <fstream>using namespace std;void test01(){    ofstream ofs;    ofs.open("test.txt", ios::out);    ofs << "Hello world!";    ofs.close();}int main(){    test01();}
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