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C++核心知识

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：

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
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：

public 公共权限成员类内可以访问类外可以访问
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
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(){}

构造函数，没有返回值也不写void
函数名称与类名相同
构造函数可以有参数，因此可以发生重载
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(){}

析构函数，没有返回值也不写void
函数名称与类名相同，在名称前加上符号~
析构函数不可以有参数，因此不可以发生重载
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

默认构造函数（无参，函数体为空）
默认析构函数（无参，函数体为空）
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

默认构造函数（无参，函数体为空）
默认析构函数（无参，函数体为空）
默认拷贝构造函数、对属性进行值拷贝
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：

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
如果子类中没有堆区数据，可以不写为虚析构或纯虚析构
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：

文本文件 - 文件以文本的ASCII码形式存储在计算机中
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：

ofstream：写操作
ifstream：读操作
fstream：读写操作

5.1 文本文件

5.1.1 写文件

写文件步骤如下：

包含头文件

#include<fstream>
创建流对象

ofstream ofs;
打开文件

ofs.open("文件路径", 打开方式);
写数据

ofs << "写入数据";
关闭文件

ofs.close();

文件打开方式：

模式标记	适用对象	作用
ios::in	ifstream fstream	打开文件用于读取数据。如果文件不存在，则打开出错。
ios::out	ofstream 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::app	ofstream 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::ate	ifstream	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:: trunc	ofstream	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::binary	ifstream 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::out	fstream	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::out	ofstream	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::trunc	fstream	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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