C++ 面型对象编程

面向对象

面向对象程序设计（Object-oriented programming，OOP）是种具有对象概念的程序编程典范，同时也是一种程序开发的抽象方针。

面向对象三大特征 —— 封装、继承、多态

封装

把客观事物封装成抽象的类，并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作，对不可信的进行信息隐藏。关键字：public, protected, private。不写默认为 private。

public 成员：可以被任意实体访问
protected 成员：只允许被子类及本类的成员函数访问
private 成员：只允许被本类的成员函数、友元类或友元函数访问

继承

基类（父类）——> 派生类（子类）

多态

多态，即多种状态（形态）。简单来说，我们可以将多态定义为消息以多种形式显示的能力。
多态是以封装和继承为基础的。
C++ 多态分类及实现：
1. 重载多态（Ad-hoc Polymorphism，编译期）：函数重载、运算符重载
2. 子类型多态（Subtype Polymorphism，运行期）：虚函数
3. 参数多态性（Parametric Polymorphism，编译期）：类模板、函数模板
4. 强制多态（Coercion Polymorphism，编译期/运行期）：基本类型转换、自定义类型转换
5. https://catonmat.net/cpp-polymorphism

静态多态（编译时/早绑定）

函数重载：

class Shape{
public:
    virtual double calcArea()
    {
        ...
    }
    virtual ~Shape();
};

class Circle: public Shape
{
public: virtual double calcArea();

};
class Rect: public Shape
{
public: virtual double calcArea();
};

int main()
{
    Shape * shape1 = new Circle(4.0);
    Shape * shape2 = new Rect(5.0,6.0);
    shape1->calcArea();// 调用圆形类里面的方法
    shape2->calcArea();// 调用矩形类里面的方法
    
    delete shape1;
    shape1= nullptr;
    delete shape2;
    shape2 = nullptr;
    return 0;
}

虚析构函数

虚析构函数是为了解决基类的指针指向派生类对象，并用基类的指针删除派生类对象。

虚析构函数使用

//虚析构函数
class Shape{
public:
    Shape(); //构造函数不能是虚函数
    virtual double calcArea(); 
    virtual ~Shape(); //虚析构函数，使得能从基类指针析构子类的动态对象
};

class Circle: public Shape
{
public: virtual double calcArea();

};
int main()
{
    Shape * shape1 = new Circle(4.0);
    shape1->calcArea();// 调用圆形类里面的方法
        
    delete shape1;
    shape1= nullptr;
    return 0;
}

纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，在基类中不能对虚函数给出有意义的实现，而把它声明为纯虚函数，它的实现留给该基类的派生类去做。

virtual int A() = 0;

虚函数、纯虚函数

类里如果声明了虚函数，这个函数是实现的，哪怕是空实现，它的作用就是为了能让这个函数在它的子类里面可以被覆盖，这样的话，编译器就可以使用后期绑定来达到多态了。纯虚函数只是一个接口，是个函数的声明而已，它要留到子类里去实现。
虚函数在子类里面也可以不重载的；但纯虚函数必须在子类去实现。
虚函数的类用于 “实作继承”，继承接口的同时也继承了父类的实现。当然大家也可以完成自己的实现。纯虚函数关注的是接口的统一性，实现由子类完成。
带纯虚函数的类叫抽象类，这种类不能直接生成对象，而只有被继承，并重写其虚函数后，才能使用。抽象类被继承后，子类可以继续是抽象类，也可以是普通类。
虚基类是虚继承中的基类，具体见下文虚继承。

虚函数指针、虚函数表

虚函数指针：在含有虚函数类的对象中，指向虚函数表，在运行时确定。
虚函数表：在程序只读数据段（.rodata section，见：目标文件存储结构），存放虚函数指针，如果派生类实现了基类的某个虚函数，则在虚表中覆盖原本基类的那个虚函数指针，在编译时根据类的声明创建。

虚继承

虚继承用于解决多继承条件下的菱形继承问题（浪费存储空间、存在二义性）。

底层实现原理与编译器相关，一般通过虚基类指针和虚基类表实现，每个虚继承的子类都有一个虚基类指针（占用一个指针的存储空间，4字节）和虚基类表（不占用类对象的存储空间）（需要强调的是，虚基类依旧会在子类里面存在拷贝，只是仅仅最多存在一份而已，并不是不在子类里面了）；当虚继承的子类被当做父类继承时，虚基类指针也会被继承。

实际上，vbptr 指的是虚基类表指针（virtual base table pointer），该指针指向了一个虚基类表（virtual table），虚表中记录了虚基类与本类的偏移地址；通过偏移地址，这样就找到了虚基类成员，而虚继承也不用像普通多继承那样维持着公共基类（虚基类）的两份同样的拷贝，节省了存储空间。

虚继承、虚函数

相同之处：都利用了虚指针（均占用类的存储空间）和虚表（均不占用类的存储空间）
不同之处：
- 虚继承
  - 虚基类依旧存在继承类中，只占用存储空间
  - 虚基类表存储的是虚基类相对直接继承类的偏移
- 虚函数
  - 虚函数不占用存储空间
  - 虚函数表存储的是虚函数地址

模板类、成员模板、虚函数

模板类中可以使用虚函数
一个类（无论是普通类还是类模板）的成员模板（本身是模板的成员函数）不能是虚函数

抽象类、接口类、聚合类

抽象类：含有纯虚函数的类
接口类：仅含有纯虚函数的抽象类
聚合类：用户可以直接访问其成员，并且具有特殊的初始化语法形式。满足如下特点：
- 所有成员都是 public
- 没有定义任何构造函数
- 没有类内初始化
- 没有基类，也没有 virtual 函数

内存分配和管理

malloc、calloc、realloc、alloca

malloc：申请指定字节数的内存。申请到的内存中的初始值不确定。
calloc：为指定长度的对象，分配能容纳其指定个数的内存。申请到的内存的每一位（bit）都初始化为 0。
realloc：更改以前分配的内存长度（增加或减少）。当增加长度时，可能需将以前分配区的内容移到另一个足够大的区域，而新增区域内的初始值则不确定。
alloca：在栈上申请内存。程序在出栈的时候，会自动释放内存。但是需要注意的是，alloca 不具可移植性, 而且在没有传统堆栈的机器上很难实现。alloca 不宜使用在必须广泛移植的程序中。C99 中支持变长数组 (VLA)，可以用来替代 alloca。

malloc、free

用于分配、释放内存

malloc、free 使用

申请内存，确认是否申请成功

char *str = (char*) malloc(100);
assert(str != nullptr);

释放内存后指针置空

free(p); 
p = nullptr;

new、delete

new / new[]：完成两件事，先底层调用 malloc 分配了内存，然后调用构造函数（创建对象）。
delete/delete[]：也完成两件事，先调用析构函数（清理资源），然后底层调用 free 释放空间。
new 在申请内存时会自动计算所需字节数，而 malloc 则需我们自己输入申请内存空间的字节数。

new、delete 使用

申请内存，确认是否申请成功

int main()
{
    T* t = new T();     // 先内存分配 ，再构造函数
    delete t;           // 先析构函数，再内存释放
    return 0;
}

定位 new

定位 new（placement new）允许我们向 new 传递额外的地址参数，从而在预先指定的内存区域创建对象。

new (place_address) type
new (place_address) type (initializers)
new (place_address) type [size]
new (place_address) type [size] { braced initializer list }

place_address 是个指针
initializers 提供一个（可能为空的）以逗号分隔的初始值列表

#include<new>
int chaf[50];
struct ch{
    double x;
    double y;
};
int main()
{
    ch* p;
    p = new(chaf) ch({1,2});//在chaf[50]中将ch({1,2})分配出去

    return 0;
}

delete this 合法吗？

Is it legal (and moral) for a member function to say delete this?

合法，但：

必须保证 this 对象是通过 new（不是 new[]、不是 placement new、不是栈上、不是全局、不是其他对象成员）分配的
必须保证调用 delete this 的成员函数是最后一个调用 this 的成员函数
必须保证成员函数的 delete this 后面没有调用 this 了
必须保证 delete this 后没有人使用了

如何定义一个只能在堆上（栈上）生成对象的类？

如何定义一个只能在堆上（栈上）生成对象的类?

只能在堆上

方法：将析构函数设置为私有

原因：C++ 是静态绑定语言，编译器管理栈上对象的生命周期，编译器在为类对象分配栈空间时，会先检查类的析构函数的访问性。若析构函数不可访问，则不能在栈上创建对象。

class A
{
public:
    A(){}
    void destory(){delete this;}
private:
    ~A(){}
};

只能在栈上

方法：将 new 和 delete 重载为私有

原因：在堆上生成对象，使用 new 关键词操作，其过程分为两阶段：第一阶段，使用 new 在堆上寻找可用内存，分配给对象；第二阶段，调用构造函数生成对象。将 new 操作设置为私有，那么第一阶段就无法完成，就不能够在堆上生成对象。

class  A  
{  
private :  
    void * operator  new ( size_t  t){}      // 注意函数的第一个参数和返回值都是固定的   
    void  operator  delete ( void * ptr){}  // 重载了new就需要重载delete   
public :  
    A(){}  
    ~A(){}  
};

智能指针

C++ 标准库（STL）中

头文件：#include <memory>

C++ 98

std::auto_ptr<std::string> ps (new std::string(str))；

C++ 11

shared_ptr
unique_ptr
weak_ptr
auto_ptr（被 C++11 弃用）

Class shared_ptr 实现共享式拥有（shared ownership）概念。多个智能指针指向相同对象，该对象和其相关资源会在 “最后一个 reference 被销毁” 时被释放。为了在结构较复杂的情景中执行上述工作，标准库提供 weak_ptr、bad_weak_ptr 和 enable_shared_from_this 等辅助类。
Class unique_ptr 实现独占式拥有（exclusive ownership）或严格拥有（strict ownership）概念，保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象。你可以移交拥有权。它对于避免内存泄漏（resource leak）——如 new 后忘记 delete ——特别有用。

shared_ptr

多个智能指针可以共享同一个对象，对象的最末一个拥有着有责任销毁对象，并清理与该对象相关的所有资源。

支持定制型删除器（custom deleter），可防范 Cross-DLL 问题（对象在动态链接库（DLL）中被 new 创建，却在另一个 DLL 内被 delete 销毁）、自动解除互斥锁

weak_ptr

weak_ptr 允许你共享但不拥有某对象，一旦最末一个拥有该对象的智能指针失去了所有权，任何 weak_ptr 都会自动成空（empty）。因此，在 default 和 copy 构造函数之外，weak_ptr 只提供 “接受一个 shared_ptr” 的构造函数。

可打破环状引用（cycles of references，两个其实已经没有被使用的对象彼此互指，使之看似还在 “被使用” 的状态）的问题

unique_ptr

unique_ptr 是 C++11 才开始提供的类型，是一种在异常时可以帮助避免资源泄漏的智能指针。采用独占式拥有，意味着可以确保一个对象和其相应的资源同一时间只被一个 pointer 拥有。一旦拥有着被销毁或编程 empty，或开始拥有另一个对象，先前拥有的那个对象就会被销毁，其任何相应资源亦会被释放。

unique_ptr 用于取代 auto_ptr

auto_ptr

被 c++11 弃用，原因是缺乏语言特性如 “针对构造和赋值” 的 std::move 语义，以及其他瑕疵。

auto_ptr 与 unique_ptr 比较

auto_ptr 可以赋值拷贝，复制拷贝后所有权转移；unqiue_ptr 无拷贝赋值语义，但实现了move 语义；
auto_ptr 对象不能管理数组（析构调用 delete），unique_ptr 可以管理数组（析构调用 delete[] ）；

强制类型转换运算符

MSDN . 强制转换运算符

static_cast

用于非多态类型的转换
不执行运行时类型检查（转换安全性不如 dynamic_cast）
通常用于转换数值数据类型（如 float -> int）
可以在整个类层次结构中移动指针，子类转化为父类安全（向上转换），父类转化为子类不安全（因为子类可能有不在父类的字段或方法）

向上转换是一种隐式转换。

dynamic_cast

用于多态类型的转换
执行行运行时类型检查
只适用于指针或引用
对不明确的指针的转换将失败（返回 nullptr），但不引发异常
可以在整个类层次结构中移动指针，包括向上转换、向下转换

const_cast

用于删除 const、volatile 和 __unaligned 特性（如将 const int 类型转换为 int 类型）

reinterpret_cast

用于位的简单重新解释
滥用 reinterpret_cast 运算符可能很容易带来风险。除非所需转换本身是低级别的，否则应使用其他强制转换运算符之一。
允许将任何指针转换为任何其他指针类型（如 char* 到 int* 或 One_class* 到 Unrelated_class* 之类的转换，但其本身并不安全）
也允许将任何整数类型转换为任何指针类型以及反向转换。
reinterpret_cast 运算符不能丢掉 const、volatile 或 __unaligned 特性。
reinterpret_cast 的一个实际用途是在哈希函数中，即，通过让两个不同的值几乎不以相同的索引结尾的方式将值映射到索引。

bad_cast

由于强制转换为引用类型失败，dynamic_cast 运算符引发 bad_cast 异常。

bad_cast 使用

try {  
    Circle& ref_circle = dynamic_cast<Circle&>(ref_shape);   
}  
catch (bad_cast b) {  
    cout << "Caught: " << b.what();  
}

运行时类型信息 (RTTI)

dynamic_cast

用于多态类型的转换

typeid

typeid 运算符允许在运行时确定对象的类型
type_id 返回一个 type_info 对象的引用
如果想通过基类的指针获得派生类的数据类型，基类必须带有虚函数
只能获取对象的实际类型

type_info

type_info 类描述编译器在程序中生成的类型信息。此类的对象可以有效存储指向类型的名称的指针。 type_info 类还可存储适合比较两个类型是否相等或比较其排列顺序的编码值。类型的编码规则和排列顺序是未指定的，并且可能因程序而异。
头文件：typeinfo

typeid、type_info 使用

class Flyable                       // 能飞的
{
public:
    virtual void takeoff() = 0;     // 起飞
    virtual void land() = 0;        // 降落
};
class Bird : public Flyable         // 鸟
{
public:
    void foraging() {...}           // 觅食
    virtual void takeoff() {...}
    virtual void land() {...}
};
class Plane : public Flyable        // 飞机
{
public:
    void carry() {...}              // 运输
    virtual void take off() {...}
    virtual void land() {...}
};

class type_info
{
public:
    const char* name() const;
    bool operator == (const type_info & rhs) const;
    bool operator != (const type_info & rhs) const;
    int before(const type_info & rhs) const;
    virtual ~type_info();
private:
    ...
};

class doSomething(Flyable *obj)                 // 做些事情
{
    obj->takeoff();

    cout << typeid(*obj).name() << endl;        // 输出传入对象类型（"class Bird" or "class Plane"）

    if(typeid(*obj) == typeid(Bird))            // 判断对象类型
    {
        Bird *bird = dynamic_cast<Bird *>(obj); // 对象转化
        bird->foraging();
    }

    obj->land();
};

posted @ 2019-08-17 19:08 Z_W 阅读(223) 评论(0) 收藏举报

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C++ 面型对象编程

面向对象

封装

继承

多态

虚析构函数

纯虚函数

虚函数、纯虚函数

虚函数指针、虚函数表

虚继承

虚继承、虚函数

模板类、成员模板、虚函数

抽象类、接口类、聚合类

内存分配和管理

malloc、calloc、realloc、alloca

malloc、free

new、delete

定位 new

delete this 合法吗？

如何定义一个只能在堆上（栈上）生成对象的类？

只能在堆上

只能在栈上

智能指针

C++ 标准库（STL）中

C++ 98

C++ 11

shared_ptr

weak_ptr

unique_ptr

auto_ptr

auto_ptr 与 unique_ptr 比较

强制类型转换运算符

static_cast

dynamic_cast

const_cast

reinterpret_cast

bad_cast

运行时类型信息 (RTTI)

dynamic_cast

typeid

type_info

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