C++ 面向对象（一）—— 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：

[cpp] view plaincopy

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：

[cpp] view plaincopy

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：

[cpp] view plaincopy

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。
[cpp] view plaincopy
1. CExample::CExample (const CExample& rv) {
2. a=rv.a; b=rv.b; c=rv.c;
3. }

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。