C++ 类和对象进阶：默认成员函数与运算符重载

带参数构造函数（Parameterized Constructor）

• 定义：包含一个或多个参数的构造函数，允许在创建对象时为对象成员传递初始值。
• 作用：通过传递不同的参数，创建对象时可以初始化不同的值。

Date(int year, int month, int day) { 
    _year = year; 
    _month = month; 
    _day = day;
}

3、析构函数

• 定义：析构函数在对象生命周期结束时调用，用于释放对象占用的资源。
• 自动生成：如果你没有定义析构函数，编译器会自动生成一个默认析构函数。它会销毁对象并释放资源。但如果类中有动态内存分配，或者存在资源申请，则需要显式定义析构函数。

析构函数的特点：

• 析构函数的名称必须与类名相同，但在前面加上波浪号 ~。例如，类 Date 的析构函数名称应该是 ~Date()。
• 析构函数没有返回类型，(包括 void)。
• 析构函数不能带有参数，因此无法重载。
• 自动调用：析构函数由编译器在对象生命周期结束时自动调用。当一个对象超出其作用域时，或显式调用 delete 删除一个动态分配的对象时，析构函数会被调用。
• 调用顺序：对于局部对象，析构函数在对象超出作用域时被自动调用。对于动态分配的对象，析构函数在 delete 语句执行时被调用。

跟构造函数类似，我们不写编译器自动生成的析构函数对内置类型成员不做处理，对于自定义类型成员会调用它的析构函数。

析构函数的基本语法：

class Date {
public:
    ~Date() {
        //完成对资源的清理和释放
    }
};

析构函数的作用：

析构函数的作用是清理对象在其生命周期内所占用的资源。常见的资源包括：

• 动态内存：通过 new 动态分配的内存需要在析构函数中通过 delete 或 delete[] 释放。
• 文件句柄、数据库连接、网络资源：如果对象打开了文件或建立了网络连接，析构函数应负责关闭它们。
• 其他资源：任何外部资源（例如锁、线程、内存映射等）都应在析构函数中清理。

析构函数的自动调用

析构函数的调用通常是在以下情况下自动发生：

• 对象生命周期结束时：当局部对象超出作用域时，析构函数会自动调用。例如，当 main() 函数结束时，局部对象的析构函数会被调用。
• 动态分配的对象：如果对象是通过 new 分配的，那么在调用 delete 时，析构函数会被自动调用。
• 一个局部域的多个对象，C++规定后定义的先析构。

简单的析构函数示例：

#include <iostream>
using namespace std;

class MyClass {
public:
    MyClass() { 
        ptr = new int[10]; // 动态分配内存
        cout << "Constructor: Memory allocated" << endl;
    }
    ~MyClass() {
        delete[] ptr; // 释放内存
        cout << "Destructor: Memory deallocated" << endl;
    }
private:
    int* ptr;
};

int main() {
    MyClass obj; // 创建对象时调用构造函数，释放内存时调用析构函数
    return 0;
}

4、拷贝构造函数

拷贝构造函数是一个特殊成员函数，用于通过另一个同类型的对象来初始化一个对象。如果一个构造函数的第一个参数是自身类类型的引用，且任何额外的参数都有默认值，则此构造函数也叫做拷贝构造函数，也就是说拷贝构造是一个特殊的构造函数。它通常在以下几种情况下被调用：

• 对象作为函数参数传递时（按值传递）
• 从函数返回一个对象（返回值时）
• 初始化一个对象为另一个同类型对象的副本（拷贝初始化）

拷贝构造函数的特点：

• 拷贝构造函数是构造函数的一个重载。
• 拷贝构造函数的第一个参数必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发无穷递归调用。拷贝构造函数也可以多个参数，但是第一个参数必须是类类型对象的引用，后面的参数必须有缺省值。
• C++规定自定义类型对象进行拷贝必须调用拷贝构造，所以这里自定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成。

若未显式定义拷贝构造，编译器会生成自动生成拷贝构造函数。自动生成的拷贝构造对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝 (一个字节一个字的逐字节拷贝)，对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造。

拷贝构造的基本语法：

ClassName(const ClassName& other) {
    //完成对象的拷贝
}

ClassName 是类名。 const ClassName& other 是另一个同类型对象的引用，表示将要复制的数据。 关键点：

• const：拷贝构造函数的参数必须是 const，这样可以保证传递的对象不被修改。
• &：参数是引用类型，避免了对象的拷贝开销。
• 传递方式：拷贝构造函数通常使用按引用传递对象，而不是按值传递，防止出现不必要的递归调用。

拷贝构造函数的使用场景：

• 按值传递参数时：当对象作为函数参数传递，并且该对象以值的方式传递时，会调用拷贝构造函数。

void function(MyClass obj) { // 对象 obj 会调用拷贝构造函数 }
MyClass obj1;
function(obj1); // 这里会调用拷贝构造函数

• 返回值时：当一个函数返回一个对象时，编译器会使用拷贝构造函数来复制返回值。

MyClass createObject() {
    MyClass obj;
    return obj; // 这里会调用拷贝构造函数
}

• 拷贝初始化：当一个对象被另一个相同类型的对象初始化时，也会调用拷贝构造函数。

MyClass obj1;
MyClass obj2(obj1); // MyClass obj2 = obj1; 或者写成这样
// 这里会调用拷贝构造函数

默认的拷贝构造函数：

如果没有显式定义拷贝构造函数，编译器会自动生成一个默认的拷贝构造函数，通常执行浅拷贝。这意味着它会简单地复制成员变量的值，对于指针成员，它只会复制指针的值（即地址），不会分配新的内存。这样会导致多个对象共享相同的内存资源，可能会出现内存泄漏或意外的资源共享。

class MyClass {
public:
    int* data;
    MyClass(int val) { data = new int(val); }
    ~MyClass() { delete data; }
};
MyClass obj1(10);
MyClass obj2(obj1); // 默认拷贝构造函数，浅拷贝

深拷贝的需求：

如果类的成员变量涉及动态内存分配，默认的浅拷贝可能导致问题。拷贝构造函数需要进行深拷贝，即为每个对象分配新的内存空间，以避免不同对象共享同一内存。

class MyClass {
public:
    int* data;
    MyClass(int val) { data = new int(val); }
    // 手动定义深拷贝构造函数
    MyClass(const MyClass& other) { data = new int(*other.data); // 为每个对象分配新的内存 }
    ~MyClass() { delete data; }
};
MyClass obj1(10);
MyClass obj2 = obj1; // 调用深拷贝构造函数

注意：

• 如果没有指针成员，且不涉及动态内存分配，可以使用默认的浅拷贝。
• 如果类包含指针成员或动态分配的内存，必须自定义拷贝构造函数，并使用深拷贝。
• 注意自身赋值：在拷贝构造函数中，通常不需要处理自赋值问题（因为自身赋值问题通常出现在赋值运算符重载中），但实现赋值运算符重载时，需要特别注意自身赋值情况。

5、运算符重载

在 C++ 中，运算符重载（Operator Overloading）允许你为自定义类型定义或修改运算符的行为，使得可以使用运算符来操作类的对象。通过运算符重载，类的对象可以像内建类型一样使用运算符进行各种操作（如加法、减法等）。

• 运算符重载是具有特殊名字的函数，他的名字是由 operator 和后面要定义的运算符共同构成。和其他函数一样，它也具有其返回类型和参数列表以及函数体。

ReturnType operator 符号 (参数列表) {
    //函数体
}

ReturnType：返回类型，通常是操作后的结果类型。 operator 符号：运算符的标识符，例如 +、-、*、[]、= 等。 参数列表：指定操作数的类型和数量。

• 重载运算符函数的参数个数和该运算符作用的运算对象数量一样多。一元运算符有一个参数，二元运算符有两个参数，二元运算符的左侧运算对象传给第一个参数，右侧运算对象传给第二个参数。
• 如果一个重载运算符函数是成员函数，则它的第一个运算对象默认传给隐式的 this 指针，因此运算符重载作为成员函数时，参数比运算对象少一个。
• 运算符重载以后，其优先级和结合性与对应的内置类型运算符保持一致。
• 不能通过连接语法中没有的符号来创建新的操作符：比如 operator@。
• .* :: （域作用解析符）sizeof ?: . 等运算符不能重载
• 重载 ++ 运算符时，有前置 ++ 和后置 ++，运算符重载函数名都是 operator++，无法很好的区分。 C++规定，后置 ++ 重载时，增加一个 int 形参，跟前置 ++ 构成函数重载，方便区分。
• 重载<<和>>时，需要重载为全局函数，因为重载为成员函数，this 指针默认抢占了第一个形参位置，第一个形参位置是左侧运算对象，调用时就变成了对象<<cout，不符合使用习惯和可读性。重载为全局函数把 ostream/istream 放到第一个形参位置就可以了，第二个形参位置当类类型对象。

举个例子：

class Date {
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) { _year = year; _month = month; _day = day; }
    void Print() { cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl; }
    bool operator==(const Date& d) {
        return _year == d._year && _month == d._month && _day == d._day;
    }
    Date& operator++() {
        cout << "前置++" << endl;
        //...
        return *this;
    }
    Date operator++(int) {
        Date tmp;
        cout << "后置++" << endl;
        //...
        return tmp;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

5.1、赋值运算符重载

赋值运算符重载是一个默认成员函数，用于完成两个已经存在的对象直接的拷贝赋值，这里要注意跟拷贝构造区分，拷贝构造用于一个对象拷贝初始化给另一个要创建的对象。

为什么需要重载赋值运算符？

默认的赋值运算符执行浅拷贝，即直接复制对象的成员变量。如果类中有指针成员或者动态分配的内存，浅拷贝可能导致内存泄漏或多重释放等问题。因此，当类中涉及动态内存时，你必须手动实现赋值运算符，以确保深拷贝。

赋值运算符重载的特点：

• 赋值运算符重载是一个运算符重载，规定必须重载为成员函数。赋值运算重载的参数建议写成 const 当前类类型引用，否则会传值传参会有拷贝
• 有返回值，且建议写成当前类类型引用。引用返回可以提高效率，有返回值目的是为了支持连续赋值场景。
• 没有显式实现时，编译器会自动生成一个默认赋值运算符重载，默认赋值运算符重载行为跟默认拷贝构造函数类似，对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝 (一个字节一个字的拷贝），对自定义类型成员变量会调用它的赋值重载函数。

如果需要显式实现赋值运算符重载要注意以下几点：

• 检查自赋值：如果左边对象和右边对象是同一个对象（即自赋值），则无需执行任何操作。
• 释放当前资源：在执行赋值之前，应该释放当前对象占用的资源，以避免内存泄漏。
• 执行深拷贝：将右边对象的数据复制到左边对象的成员变量中。
• 返回*this：以支持链式赋值操作。

实现简单的赋值运算符：

class Date {
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) { _year = year; _month = month; _day = day; }
    Date(const Date& d) { cout << " Date(const Date& d)" << endl; _year = d._year; _month = d._month; _day = d._day; }
    // 传引用返回减少拷贝
    // d1 = d2;
    Date& operator=(const Date& d) {
        // 注意自身赋值情况
        if (this != &d) {
            _year = d._year; _month = d._month; _day = d._day;
        }
        // d1 = d2 表达式的返回对象应该为 d1，也就是*this
        return *this;
    }
    void Print() { cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl; }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

5.2、const 成员函数

定义：

• const 成员函数是指那些不会修改对象状态的成员函数。它是通过在成员函数的声明和定义后加上 const 关键字来标识的。const 成员函数保证不会修改对象的成员变量，确保对象的状态在调用该函数时保持不变。
• const 实际修饰该成员函数隐含的 this 指针。表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。

const 成员函数的作用：

• 保证不修改对象状态：const 成员函数承诺不会修改对象的数据，这对于许多场合（如传递常量对象或在多线程中共享对象）非常重要。
• 编译时检查：通过将成员函数声明为 const，编译器可以帮助检查是否存在意外修改对象的情况。如果在 const 成员函数中尝试修改对象的成员变量，编译器会报错。
• 提高可读性和安全性：它明确表示该函数是只读操作，不会改变对象的状态，有助于代码的可读性和维护性。

例如 Date 类中的 Print 函数：修饰为 const 成员函数，它只读取对象的状态，不修改任何成员变量。

void Print() const {
    cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}

const 成员函数的限制：

• 不能修改成员变量：const 成员函数中不能修改对象的成员变量，除非这些成员变量被声明为 mutable。
• 不能调用非 const 成员函数：const 成员函数不能调用任何非 const 成员函数，因为后者可能会修改对象的状态。

5.3、mutable 关键字

在 C++ 中，mutable 关键字用于修饰类的成员变量，允许在 const 成员函数 中修改该成员变量。通常，const 成员函数表示该函数不会修改对象的状态，但有时我们希望某些成员变量在这些函数中仍然可以修改。使用 mutable 可以实现这一点。

mutable 关键字的使用：

class MyClass {
public:
    MyClass(int counter = 0) { _counter = counter; }
    // const 成员函数可以修改 mutable 成员变量
    void incrementCounter() const {
        _counter++;
    }
    void displayCounter() const {
        cout << "Counter: " << _counter << endl;
    }
private:
    mutable int _counter; // mutable 成员变量
};

int main() {
    MyClass obj;
    obj.incrementCounter(); // 修改 mutable 成员变量
    obj.displayCounter();   // 输出：Counter: 1
    return 0;
}

mutable 的使用场景：

• 缓存：有时我们希望在 const 成员函数中修改某些缓存数据，这时可以使用 mutable。
• 计数器：在一些只读操作中（如访问次数计数器），需要更新计数器而不影响对象的逻辑状态。
• 延迟计算：可以用于延迟计算或懒加载（lazy loading）等操作。

mutable 的注意事项：

• 只修改 mutable 成员：mutable 关键字只影响被修饰的成员变量，其他成员变量依然受到 const 限制。
• const 成员函数的约束：mutable 使得 const 成员函数能够修改成员变量，但不会改变对象的外部状态。它仍然保持对象的'逻辑不可变性'，但允许修改内部的、仅对函数内部有意义的数据。

5.4、取地址运算符重载

取地址运算符（&）用于获取对象的内存地址。虽然我们可以直接使用 & 来获取对象的地址，但如果你需要在自定义类中对取地址运算符进行重载，则可以通过重载 operator& 来实现，通常情况下是返回当前对象的 this 指针。

• 取地址运算符重载分为普通取地址运算符重载和 const 取地址运算符重载

取地址运算符通常不常见于需要重载的运算符，因为它通常只是返回对象的地址。编译器默认生成的重载函数就可以满足我们的需求，不需要显式实现。

在一些特殊场景下：如（模拟智能指针、内存管理等）场景下发挥作用 或者当我们不想将当前类对象的地址被获取，可以通过重载取地址运算符的重载返回特定的地址！

class Date {
public:
    Date *operator&() {
        return this; // return nullptr;
    }
    const Date *operator&() const {
        return this; // return nullptr;
    }
private:
    int _year; // 年
    int _month; // 月
    int _day; // 日
};

6、完整的 Date 类实现

Date.h 头文件

class Date {
    friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
    friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
public:
    Date(int year = 2005, int month = 5, int day = 18);
    bool DateCheck();
    void print();
    int GetMonthDay(int year, int month) {
        static int ArrMonth[13] = {-1, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
        if (month == 2 && ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0))) {
            return 29;
        }
        return ArrMonth[month];
    }
    bool operator<(const Date& d) const;
    bool operator<=(const Date& d) const;
    bool operator>(const Date& d) const;
    bool operator>=(const Date& d) const;
    bool operator==(const Date& d) const;
    bool operator!=(const Date& d) const;
    Date& operator+=(int day);
    Date operator+(int day);
    Date& operator-=(int day);
    Date operator-(int day);
    int operator-(const Date& d) const;
    Date& operator++();
    Date operator++(int);
    Date& operator--();
    Date operator--(int);
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

Date.cpp 源文件

#include "Date.h"

bool Date::DateCheck() {
    if (_month < 1 || _month > 12 || _day < 1 || _day > GetMonthDay(_year, _month)) {
        return false;
    }
    return true;
}

Date::Date(int year, int month, int day) {
    _year = year; _month = month; _day = day;
    if (!DateCheck()) {
        cout << "日期非法" << endl;
        print();
    }
}

void Date::print() {
    cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}

Date& Date::operator+=(int day) {
    if (day < 0) {
        return *this -= (-day);
    }
    _day += day;
    while (_day > GetMonthDay(_year, _month)) {
        _day -= GetMonthDay(_year, _month);
        ++_month;
        if (_month == 13) {
            ++_year; _month = 1;
        }
    }
    return *this;
}

Date Date::operator+(int day) {
    Date tmp = *this;
    tmp._day += day;
    while (tmp._day > GetMonthDay(tmp._year, tmp._month)) {
        tmp._day -= GetMonthDay(tmp._year, tmp._month);
        ++tmp._month;
        if (tmp._month == 13) {
            ++tmp._year; tmp._month = 1;
        }
    }
    return tmp;
}

bool Date::operator<(const Date& d) const {
    if (_year < d._year) {
        return true;
    } else if (_year == d._year) {
        if (_month < d._month) {
            return true;
        } else if (_month == d._month) {
            return _day < d._day;
        }
    }
    return false;
}

bool Date::operator<=(const Date& d) const {
    return *this < d || *this == d;
}

bool Date::operator>(const Date& d) const {
    return !(*this <= d);
}

bool Date::operator>=(const Date& d) const {
    return !(*this < d);
}

bool Date::operator==(const Date& d) const {
    return _year == d._year && _month == d._month && _day == d._day;
}

bool Date::operator!=(const Date& d) const {
    return !(*this == d);
}

int Date::operator-(const Date& d) const {
    int flag = 1;
    Date max = *this;
    Date min = d;
    if (*this < d) {
        max = d;
        min = *this;
        flag = -1;
    }
    int count = 0;
    while (min != max) {
        ++min;
        ++count;
    }
    if (1 == flag) {
        return count;
    } else {
        return -count;
    }
}

Date& Date::operator++() {
    *this += 1;
    return *this;
}

Date Date::operator++(int) {
    Date tmp = *this;
    *this += 1;
    return tmp;
}

Date& Date::operator--() {
    *this -= 1;
    return *this;
}

Date Date::operator--(int) {
    Date tmp = *this;
    *this -= 1;
    return tmp;
}

Date& Date::operator-=(int day) {
    if (day < 0) {
        return *this += (-day);
    }
    _day -= day;
    while (_day <= 0) {
        --_month;
        if (_month == 0) {
            _month = 12;
            --_year;
        }
        _day += GetMonthDay(_year, _month);
    }
    return *this;
}

Date Date::operator-(int day) {
    Date tmp = *this;
    tmp -= day;
    return tmp;
}

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) {
    out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
    return out;
}

istream& operator>>(istream& in, Date& d) {
    while (1) {
        cout << "请依次输入年月日:>";
        in >> d._year >> d._month >> d._day;
        if (!d.DateCheck()) {
            cout << "输入日期非法:";
            d.print();
            cout << "请重新输入!!!" << endl;
        } else {
            break;
        }
    }
    return in;
}