【C++】友元、初始化列表、内部类、static修饰成员详解

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

在C++编程中，深刻理解一些特殊的语法和概念是构建高效、可维护代码的关键。本博客将深入探讨C++中的友元（Friend）、初始化列表（Initialization List）、内部类（Nested Class）以及static修饰成员的用法和意义。这些特性为我们提供了更灵活的编程工具，帮助我们更好地组织和设计代码。通过对这些主题的详细讲解，我们将更好地理解C++语言的底层机制，为编写更出色的程序打下坚实基础。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

1. 构造函数不为人知的那些事

1.1 构造函数体赋值

在我们创建一个对象时，编译器会自动调用构造函数，来完成对象所属成员变量的初始化工作，接下来用代码来说明，很简单

#include 
using namespace std;
class Date
{
public:
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) //全缺省构造函数，通过函数体内赋值的方式来初始化成员变量
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1;
	return 0;
}

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虽然在调用完上述构造函数后，对象中已经有值了，但是这样并不能将其称为类对象成员的初始化，构造函数体内的语句只能将其称作为赋初值，而不能称作初始化。因为我们知道初始化只能是一次，而且是在变量定义时给初值才能叫做初始化，而构造函数体内可以多次赋值。

1.2 初始化列表

概念：
初始化列表 ：以一个冒号开始，接着是一个以逗号分隔的数据成员列表，每个成员变量后面跟一个放在括号中的初始值或表达式。

#include 
using namespace std;
class Date
{
public:
	//Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) //全缺省构造函数，通过函数体内赋值的方式来初始化成员变量
	//{
	//	_year = year;
	//	_month = month;
	//	_day = day;
	//}
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) //全缺省构造函数，通过初始化列表的方式来初始化成员变量
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{

	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1;
	return 0;
}

【注意】

1. 每个成员变量在初始化列表中只能出现一次（初始化只能初始化一次）
2. 类中包含以下成员，必须放在初始化列表进行初始化：
   - 引用成员变量
   - const成员变量
   - 自定义类型成员（该类没有默认构造函数）

#include 
using namespace std;
class Time
{
public:
	Time(int hour ,int minute , int second ) //带参构造函数
	{
		_hour = hour;
		_minute = minute;
		_second = second;
	}
private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _second;
};
class Date
{
public:
	//Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) //全缺省构造函数，通过函数体内赋值的方式来初始化成员变量
	//{
	//	_year = year;
	//	_month = month;
	//	_day = day;
	//}
	Date(int year = 0, int month = 1, int day = 1) //全缺省构造函数，通过初始化列表的方式来初始化成员变量
		:_year(year)//引用成员必须在初始化列表初始化
		, _month(month)//const成员必须在初始化列表初始化
		,_t(1,2,3)//自定义类型成员（该类没有默认构造函数）必须在初始化列表初始化
	{

	}
private:
	int& _year;
	const int _month;
	Time _t;
};
int main()
{
	Date d1;
	return 0;
}

具体细节看注释！！！
3. 尽量使用初始化列表初始化，因为不管你是否使用初始化列表，对于自定义类型成员变量，一定会先使用初始化列表初始化。

#include 
using namespace std;
class Time
{
public:
	Time(int hour = 0)
		:_hour(hour)
	{
		cout << "Time()" << endl;
	}
private:
	int _hour;
};
class Date
{
public:
	Date(int day)
	{}
private:
	int _day;
	Time _t;
};
int main()
{
	Date d(1);
}

4. 成员变量在类中声明次序就是其在初始化列表中的初始化顺序，与其在初始化列表中的先后次序无关

来看一段代码，你能知道代码的输出结果是什么吗？？？

class A
{
public:
	A(int a)
		:_a1(a)
		, _a2(_a1)
	{}

	void Print() {
		cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
	}
private:
	int _a2;
	int _a1;
}
int main() {
	A aa(1);
	aa.Print();
}

运行结果：

这也就是说成员_a1是1，而_a2中是随机值，原因就是成员变量在类中声明次序就是其在初始化列表中的初始化顺序，那么就是先初始化_a2后初始化_a1，那么结果就是如图所示！！！！
总结：大家如果不好理解，就记住初始化列表是成员变量定义的地方，而其他地方的成员变量都只是声明！！！

1.3 explicit关键字

构造函数不仅可以构造与初始化对象，对于单个参数的构造函数，还具有类型转换的作用
来看一段代码：

class Date
{
public:
	Date(int year)
		:_year(year)
	{}

	//explicit Date(int year)
	//	:_year(year)
	//{}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2018);

	// 用一个整形变量给日期类型对象赋值,实际上涉及隐式类型的转换
	// 实际编译器背后会 1、用2019构造一个临时对象tmp(2019) 2、然后用拷贝构造d1=tmp -》需要注意，vs编译器在这里会一起优化成直接用2019构造，但是实际上分为两步
	d1 = 2019;
}

具体细节看注释即可，另外这里涉及隐式类型的转换的知识，如果想要了解的同学，可以看这篇博客

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另外，如果使用explicit关键字在构造函数前面后：

#include 
using namespace std;
class Date
{
public:
	//Date(int year)
	//	:_year(year)
	//{}

	explicit Date(int year)
		:_year(year)
	{}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2018);

	// 用一个整形变量给日期类型对象赋值,实际上涉及隐式类型的转换
	// 实际编译器背后会1、用2019构造一个临时对象tmp(2019),2、然后用拷贝构造d1=tmp -》需要注意，vs编译器在这里会一起优化成直接用2019构造，但是实际上分为两步
	d1 = 2019;
}

会发现，代码会出现问题，这是因为上述代码可读性不是很好，用explicit修饰构造函数，将会禁止单参构造函数的隐式类型转换。

拓展：上述是在单参构造函数的情况下，那么对于多参构造函数呢？？？

答案是：C++11提供了一种多参构造函数下的隐式类型转换
也就是说我们可以这么写：

#include 
using namespace std;
class Date
{
public:
	 Date(int year=0,int month=1,int day=1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{

	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1 = { 1,2,3 };
	return 0;
}

如果在构造函数前，加上explicit关键字同样隐式类型转换会失效，那么代码就会报错，这里就不赘述了。

2. static成员

2.1 概念

声明为static的类成员称为类的静态成员，用static修饰的成员变量，称之为静态成员变量；用static修饰的成员函数，称之为静态成员函数。静态的成员变量一定要在类外进行初始化
具体对概念的运用，我们通过一个代码题来理解：

实现一个类，计算中程序中创建出了多少个类对象。

前提：我们需要知道对象的创建要么是通过构造函数初始化，要么是通过拷贝构造初始化创建对象，只能是这两个途径！！！

#include 
using namespace std;
class B
{
public:
	B() 
	{
		_count++;
	};
	B(const B& b)
	{
		_count++;
	}
	static int GetCount()//static 修饰的成员函数，不存在this指针
	{
		return _count;
	}
private:
	static int _count;//声明
};
int B::_count = 0;//类外进行初始化
int main()
{
	B b1;
	B b2;
	B b3(b1);
	cout << B::GetCount() << endl;
	return 0;
}

具体细节见注释

2.2 特性

1. 静态成员为所有类对象所共享，不属于某个具体的实例
2. 静态成员变量必须在类外定义，定义时不添加static关键字
3. 类静态成员即可用类名::静态成员或者对象.静态成员来访问
4. 静态成员函数没有隐藏的this指针，不能访问任何非静态成员
5. 静态成员和类的普通成员一样，也有public、protected、private3种访问级别，也可以具有返回值

2.3 小总结

3. C++11 成员变量初始化新用法

C++11支持非静态成员变量在声明时进行初始化赋值，但是要注意这里不是初始化，这里是给声明的成员变量缺省值。

#include 
using namespace std;
class Date
{
public:
	void print()
	{
		cout << _year << " " << _month <<" "<< _day << endl;
	}
private:
	int _year=0;//给成员变量缺省值
	int _month=1;
	int _day=1;
};
int main()
{
	Date d1;
	d1.print();
	return 0;
}

这个很好理解就不多加赘述了。

4. 友元

友元分为：友元函数和友元类
友元提供了一种突破封装的方式，有时提供了便利。但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以友元不宜多用。

4.1 友元函数

问题： 现在我们尝试去重载operator<<，然后发现我们没办法将operator<<重载成成员函数。因为cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置。this指针默认是第一个参数也就是左操作数了。但是实际使用中cout需要是第一个形参对象，才能正常使用。所以我们要将operator<<重载成全局函数。但是这样的话，又会导致类外没办法访问成员，那么这里就需要友元来解决。operator>>同理。

可能有同学会对上面这段话有点不理解，那么我就来稍微继续解释一下，如果我们打算重载operator<<运算符，那么字面上cout<这就是为什么cout的输出流对象和隐含的this指针在抢占第一个参数的位置

答案就是只能利用友元让cout输出流对象到第一个参数的位置，函数定义成全局的
前提：友元函数可以直接访问类的私有成员，它是定义在类外部的普通函数，不属于任何类，但需要在类的内部声明，声明时需要加friend关键字。

#include 
using namespace std;
class Date
{
public:
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	Date(int year=0, int month=1, int day=1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day ;//这里为什么能直接用<<运算符，因为是内置类型，编译器本来就支持
	return out;
}
int main()
{
	Date d1(2024, 2, 8);
	cin >> d1;
	cout << d1 << endl;//对自定义类型的输出，进行重载
	return 0;
}

说明:

1. 友元函数可访问类的私有和保护成员，但不是类的成员函数
2. 友元函数不能用const修饰(因为不是成员函数，那么也就没有this指针)
3. 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制
4. 一个函数可以是多个类的友元函数
5. 友元函数的调用与普通函数的调用和原理相同

4.2 友元类

友元类的所有成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的非公有成员。

• 友元关系是单向的，不具有交换性。
  比如上述Time类和Date类，在Time类中声明Date类为其友元类，那么可以在Date类中直接访问Time类的私有成员变量，但想在Time类中访问Date类中私有的成员变量则不行。
• 友元关系不能传递(如果B是A的友元，C是B的友元，则不能说明C时A的友元。)

class Date; // 前置声明
class Time
{
	friend class Date; // 声明日期类为时间类的友元类，则在日期类中就直接访问Time类中的私有成员变量
public:
	Time(int hour, int minute, int second)
		: _hour(hour)
		, _minute(minute)
		, _second(second)
	{}

private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _second;
};
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
		, _t(0,0,0)
	{}

	void SetTimeOfDate(int hour, int minute, int second)
	{
		// 直接访问时间类私有的成员变量
		_t._hour = hour;
		_t._minute = minute;
		_t._second = second;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Time _t;
};

5. 内部类

5.1概念及特性

概念：如果一个类定义在另一个类的内部，这个类就叫做内部类。注意此时这个内部类是一个独立的类，它不属于外部类，更不能通过外部类的对象去调用内部类。外部类对内部类没有任何优越的访问权限。

注意：内部类就是外部类的友元类。注意友元类的定义，内部类可以通过外部类的对象参数来访问外部类中的所有成员。但是外部类不是内部类的友元。

特性：

1. 内部类可以定义在外部类的public、protected、private都是可以的。
2. 注意内部类可以直接访问外部类中的static、枚举成员，不需要外部类的对象/类名。
3. sizeof(外部类)=外部类，和内部类没有任何关系。

class A
{
private:
	 static int k;
	 int h;
	 
public:
 class B
 {
 public:
	 void foo(const A& a)
 {
	 cout << k << endl;//OK
	 cout << a.h << endl;//OK
 }
 };
 
};

int A::k = 1;

int main()
{
	 A::B b;
	 b.foo(A());
 
 return 0;
}

总结

在C++中，友元机制使得类能够授予外部类或函数对其私有成员的访问权限，为实现某些特殊需求提供了便利。初始化列表能够在对象构造时直接对成员进行初始化，提高了代码的效率和可读性。内部类允许在一个类内定义另一个类，有效地组织代码结构。static修饰成员使得成员变得独立于类的实例，可以用于共享数据或实现单例模式。通过深入理解这些特性，我们能够更好地运用C++语言的强大功能，写出更具健壮性和可维护性的代码。