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  • 4.1 类(Classes)

    类(class)是一种将数据和函数组织在同一个结构里的逻辑方法。定义类的关键字为class ,其功能与C语言中的struct类似,不同之处是class可以包含函数,而不像struct只能包含数据元素。

    类定义的形式是:

        class class_name {
    permission_label_1:
    member1;
    permission_label_2:
    member2;
    ...
    } object_name;

    其中 class_name 是类的名称 (用户自定义的类型) ,而可选项object_name 是一个或几个对象(object)标识。Class的声明体中包含成员members,成员可以是数据或函数定义,同时也可以包括允许范围标志 permission labels,范围标志可以是以下三个关键字中任意一个:private:, public: 或 protected:。它们分别代表以下含义:

    • private :class的private成员,只有同一个class的其他成员或该class的“friend” class可以访问这些成员。
    • protected :class的protected成员,只有同一个class的其他成员,或该class的“friend” class,或该class的子类(derived classes) 可以访问这些成员。
    • public :class的public成员,任何可以看到这个class的地方都可以访问这些成员。

    如果我们在定义一个class成员的时候没有声明其允许范围,这些成员将被默认为 private范围。

    例如:

        class CRectangle {

    int x, y;
    public:
    void set_values (int,int);
    int area (void);
    } rect;

    上面例子定义了一个class CRectangle 和该class类型的对象变量rect 。这个class 有4个成员:两个整型变量 (x 和 y) ,在private 部分 (因为private 是默认的允许范围);以及两个函数, 在 public 部分:set_values() 和 area(),这里只包含了函数的原型(prototype)。

    注意class名称与对象(object)名称的不同:在上面的例子中,CRectangle 是class 名称 (即用户定义的类型名称),而rect 是一个CRectangle类型的对象名称。它们的区别就像下面例子中类型名 int和 变量名a 的区别一样:

    int a;

    int 是class名称 (类型名) ,而a 是对象名 object name (变量)。

    在程序中,我们可以通过使用对象名后面加一点再加成员名称(同使用C structs一样),来引用对象rect 的任何public成员,就像它们只是一般的函数或变量。例如:

    rect.set_value (3,4);
    myarea = rect.area();

    但我们不能够引用 x 或 y ,因为它们是该class的 private 成员,它们只能够在该class的其它成员中被引用。晕了吗?下面是关于class CRectangle的一个复杂的例子:

        // classes example
        #include <iostream.h>
        class CRectangle {
                int x, y;
            public:
                void set_values (int,int);
                int area (void) {return (x*y);}
        };
        
        void CRectangle::set_values (int a, int b) {
            x = a;
            y = b;
        }
        
        int main () {
            CRectangle rect;
            rect.set_values (3,4);
            cout << "area: " << rect.area();
        }			
    			
    area: 12

    上面代码中新的东西是在定义函数set_values().使用的范围操作符(双冒号:: )。它是用来在一个class之外定义该class的成员。注意,我们在CRectangle class内部已经定义了函数area() 的具体操作,因为这个函数非常简单。而对函数set_values() ,在class内部只是定义了它的原型prototype,而其实现是在class之外定义的。这种在class之外定义其成员的情况必须使用范围操作符::。

    范围操作符 (::) 声明了被定义的成员所属的class名称,并赋予被定义成员适当的范围属性,这些范围属性与在class内部定义成员的属性是一样的。例如,在上面的例子中,我们在函数set_values() 中引用了private变量x 和 y,这些变量只有在class内部和它的成员中才是可见的。

    在class内部直接定义完整的函数,和只定义函数的原型而把具体实现放在class外部的唯一区别在于,在第一种情况中,编译器(compiler) 会自动将函数作为inline 考虑,而在第二种情况下,函数只是一般的class成员函数。

    我们把 x 和 y 定义为private 成员 (记住,如果没有特殊声明,所有class的成员均默认为private ),原因是我们已经定义了一个设置这些变量值的函数 (set_values()) ,这样一来,在程序的其它地方就没有办法直接访问它们。也许在一个这样简单的例子中,你无法看到这样保护两个变量有什么意义,但在比较复杂的程序中,这是非常重要的,因为它使得变量不会被意外修改 (这里意外指的是从object的角度来讲的意外)。

    使用class的一个更大的好处是我们可以用它来定义多个不同对象(object)。例如,接着上面class CRectangle的例子,除了对象rect之外,我们还可以定义对象rectb :

        // class example
        #include <iostream.h>
        
        class CRectangle {
                int x, y;
            public:
                void set_values (int,int);
                int area (void) {return (x*y);}
        };
        
        void CRectangle::set_values (int a, int b) {
            x = a;
            y = b;
        }
        
        int main () {
            CRectangle rect, rectb;
            rect.set_values (3,4);
            rectb.set_values (5,6);
            cout << "rect area: " << rect.area() << endl;
            cout << "rectb area: " << rectb.area() << endl;
        }
    			
    rect area: 12
    rectb area: 30

    注意: 调用函数rect.area() 与调用rectb.area()所得到的结果是不一样的。这是因为每一个class CRectangle 的对象都拥有它自己的变量 x 和 y,以及它自己的函数set_value() 和 area()。

    这是基于对象( object) 和 面向对象编程 (object-oriented programming)的概念的。这个概念中,数据和函数是对象(object)的属性(properties),而不是像以前在结构化编程 (structured programming) 中所认为的对象(object)是函数参数。在本节及后面的小节中,我们将讨论面向对象编程的好处。

    在这个具体的例子中,我们讨论的class (object的类型)是CRectangle,有两个实例(instance),或称对象(object):rect 和 rectb,每一个有它自己的成员变量和成员函数。


    构造函数和析构函数 (Constructors and destructors)

    对象(object)在生成过程中通常需要初始化变量或分配动态内存,以便我们能够操作,或防止在执行过程中返回意外结果。例如,在前面的例子中,如果我们在调用函数set_values( ) 之前就调用了函数area(),将会产生什么样的结果呢?可能会是一个不确定的值,因为成员x 和 y 还没有被赋于任何值。

    为了避免这种情况发生,一个class 可以包含一个特殊的函数:构造函数 constructor,它可以通过声明一个与class同名的函数来定义。当且仅当要生成一个class的新的实例 (instance)的时候,也就是当且仅当声明一个新的对象,或给该class的一个对象分配内存的时候,这个构造函数将自动被调用。下面,我们将实现包含一个构造函数的CRectangle :

        // class example
        #include <iostream.h>
        
        class CRectangle {
            int width, height;
          public:
            CRectangle (int,int);
            int area (void) {return (width*height);}
        };
        
        CRectangle::CRectangle (int a, int b) {
            width = a;
            height = b;
        }
        
        int main () {
            CRectangle rect (3,4);
            CRectangle rectb (5,6);
            cout << "rect area: " << rect.area() << endl;
            cout << "rectb area: " << rectb.area() << endl;
        }    
    			
    rect area: 12
    rectb area: 30

    正如你所看到的,这个例子的输出结果与前面一个没有区别。在这个例子中,我们只是把函数set_values换成了class的构造函数constructor。注意这里参数是如何在class实例 (instance)生成的时候传递给构造函数的:

    CRectangle rect (3,4);
    CRectangle rectb (5,6);

    同时你可以看到,构造函数的原型和实现中都没有返回值(return value),也没有void 类型声明。构造函数必须这样写。一个构造函数永远没有返回值,也不用声明void,就像我们在前面的例子中看到的。

    析构函数Destructor 完成相反的功能。它在objects被从内存中释放的时候被自动调用。释放可能是因为它存在的范围已经结束了(例如,如果object被定义为一个函数内的本地(local)对象变量,而该函数结束了);或者是因为它是一个动态分配的对象,而被使用操作符delete释放了。

    析构函数必须与class同名,加水波号tilde (~) 前缀,必须无返回值。

    析构函数特别适用于当一个对象被动态分别内存空间,而在对象被销毁的时我们希望释放它所占用的空间的时候。例如:

        // example on constructors and destructors
        #include <iostream.h>
        
        class CRectangle {
            int *width, *height;
          public:
            CRectangle (int,int);
            ~CRectangle ();
            int area (void) {return (*width * *height);}
        };
        
        CRectangle::CRectangle (int a, int b) {
            width = new int;
            height = new int;
            *width = a;
            *height = b;
        }
        
        CRectangle::~CRectangle () {
            delete width;
            delete height;
        }
        
        int main () {
            CRectangle rect (3,4), rectb (5,6);
            cout << "rect area: " << rect.area() << endl;
            cout << "rectb area: " << rectb.area() << endl;
            return 0;
        }
    			
    rect area: 12
    rectb area: 30

    构造函数重载(Overloading Constructors)

    像其它函数一样,一个构造函数也可以被多次重载(overload)为同样名字的函数,但有不同的参数类型和个数。记住,编译器会调用与在调用时刻要求的参数类型和个数一样的那个函数(Section 2.3, Functions-II)。在这里则是调用与类对象被声明时一样的那个构造函数。

    实际上,当我们定义一个class而没有明确定义构造函数的时候,编译器会自动假设两个重载的构造函数 (默认构造函数"default constructor" 和复制构造函数"copy constructor")。例如,对以下class:

       class CExample {
    public:
    int a,b,c;
    void multiply (int n, int m) { a=n; b=m; c=a*b; };
    };

    没有定义构造函数,编译器自动假设它有以下constructor 成员函数:

    • Empty constructor

      它是一个没有任何参数的构造函数,被定义为nop (没有语句)。它什么都不做。

      CExample::CExample () { };
    • Copy constructor

      它是一个只有一个参数的构造函数,该参数是这个class的一个对象,这个函数的功能是将被传入的对象(object)的所有非静态(non-static)成员变量的值都复制给自身这个object。

         CExample::CExample (const CExample& rv) {
      a=rv.a; b=rv.b; c=rv.c;
      }

    必须注意:这两个默认构造函数(empty construction 和 copy constructor )只有在没有其它构造函数被明确定义的情况下才存在。如果任何其它有任意参数的构造函数被定义了,这两个构造函数就都不存在了。在这种情况下,如果你想要有empty construction 和 copy constructor ,就必需要自己定义它们。

    当然,如果你也可以重载class的构造函数,定义有不同的参数或完全没有参数的构造函数,见如下例子:

        // overloading class constructors
        #include <iostream.h>
        
        Class CRectangle {
            int width, height;
          public:
            CRectangle ();
            CRectangle (int,int);
            int area (void) {return (width*height);}
        };
        
        CRectangle::CRectangle () {
            width = 5;
            height = 5;
        }
        
        CRectangle::CRectangle (int a, int b) {
            width = a;
            height = b;
        }
        
        int main () {
            CRectangle rect (3,4);
            CRectangle rectb;
            cout << "rect area: " << rect.area() << endl;
            cout << "rectb area: " << rectb.area() << endl;
        }
    			
    rect area: 12
    rectb area: 25

    在上面的例子中,rectb 被声明的时候没有参数,所以它被使用没有参数的构造函数进行初始化,也就是width 和height 都被赋值为5。

    注意在我们声明一个新的object的时候,如果不想传入参数,则不需要写括号():

    CRectangle rectb; // right
    CRectangle rectb(); // wrong!

    类的指针(Pointers to classes)

    类也是可以有指针的,要定义类的指针,我们只需要认识到,类一旦被定义就成为一种有效的数据类型,因此只需要用类的名字作为指针的名字就可以了。例如:

    CRectangle * prect;

    是一个指向class CRectangle类型的对象的指针。

    就像数据机构中的情况一样,要想直接引用一个由指针指向的对象(object)中的成员,需要使用操作符 ->。这里是一个例子,显示了几种可能出现的情况:

        // pointer to classes example
        #include <iostream.h>
        
        class CRectangle {
            int width, height;
          public:
            void set_values (int, int);
            int area (void) {return (width * height);}
        };
        
        void CRectangle::set_values (int a, int b) {
            width = a;
            height = b;
        }
        
        int main () {
            CRectangle a, *b, *c;
            CRectangle * d = new CRectangle[2];
            b= new CRectangle;
            c= &a;
            a.set_values (1,2);
            b->set_values (3,4);
            d->set_values (5,6);
            d[1].set_values (7,8);
            cout << "a area: " << a.area() << endl;
            cout << "*b area: " << b->area() << endl;
            cout << "*c area: " << c->area() << endl;
            cout << "d[0] area: " << d[0].area() << endl;
            cout << "d[1] area: " << d[1].area() << endl;
            return 0;
        }
    			
    a area: 2
    *b area: 12
    *c area: 2
    d[0] area: 30
    d[1] area: 56

    以下是怎样读前面例子中出现的一些指针和类操作符 (*, &, ., ->, [ ]):

    • *x 读作: pointed by x (由x指向的)
    • &x 读作: address of x(x的地址)
    • x.y 读作: member y of object x (对象x的成员y)
    • (*x).y 读作: member y of object pointed by x(由x指向的对象的成员y)
    • x->y 读作: member y of object pointed by x (同上一个等价)
    • x[0] 读作: first object pointed by x(由x指向的第一个对象)
    • x[1] 读作: second object pointed by x(由x指向的第二个对象)
    • x[n] 读作: (n+1)th object pointed by x(由x指向的第n+1个对象)

    在继续向下阅读之前,一定要确定你明白所有这些的逻辑含义。如果你还有疑问,再读一遍这一笑节,或者同时参考 小节 "3.3, 指针(Pointers)" 和 "3.5, 数据结构(Structures)".


    由关键字struct和union定义的类

    类不仅可以用关键字class来定义,也可以用struct或union来定义。

    因为在C++中类和数据结构的概念太相似了,所以这两个关键字struct和class的作用几乎是一样的(也就是说在C++中struct定义的类也可以有成员函数,而不仅仅有数据成员)。两者定义的类的唯一区别在于由class定义的类所有成员的默认访问权限为private,而struct定义的类所有成员默认访问权限为public。除此之外,两个关键字的作用是相同的。

    union的概念与struct和class定义的类不同, 因为union在同一时间只能存储一个数据成员。但是由union定义的类也是可以有成员函数的。union定义的类访问权限默认为public。