深入探究C++ 类成员（Class Members）

2024-05-06 21:39 由阮春义发表于 #后端开发

一、定义

　　在class的声明里头，真正有用的两样东西是data members 和 member functions：

　　Data members：表示根据这个class所产生的object里头会有些什么东西，它事实上也是占据object内存的唯一东西（除非引入虚拟机制）。通常为数据的封装性，我们把data members声明为private或protected。

　　Member functions：是用来处理data members的函数。通常为了界面的开放性，我们把member functions设计为pubilc。

二、Data Members（数据成员）

　　Data members的声明和一般non-class的变量声明形式一样，以CPoint为例：

 1 class CPoint
 2 {
 3 public:
 4     CPoint(float x=0.0):_x(x){}
 5     
 6     float x(){return _x;}
 7     void x(float xval){_x=xval;}
 8     
 9 protected:
10     float _x;     //data member
11     
12 };

　　第10行的_x就是一个data members。

　　如果data member本身不是一个变量，而是一个class object，这种情况比较特殊，称为composition（组合），而这种object被称为embedded objects或object member。Composition被用来描述has a的关系（例如汽车有一个引擎），inheritance(继承）用来描述is a kind of的关系（例如汽车是一种交通工具）。稍后我们会分别描述composition和inheritance两种情况。

三、Member Functions（成员函数）

　　Member functions用来处理class data members。在数据封装的情况下，member functions可以说就是一个class（或object）的对外界面。这些functions并不占用object的内存空间，它被编译器处理过后，以完全等同一般的global functions的身份出现，独立于任何object之外。同一份函数代码如何能够处理依据同一个class产生出来的不同object的data members呢？关键在于有一个this指针隐藏在member functions的参数之中，也隐藏在member functions函数代码对于data members的处理动作上，是编译器自动为我们加上去的。

四、如何取用 Class Members

　　要取得class members，如果是在class scope之内，直接使用其名称即可。但如果是在class scope之外，你有三种方式可以办到：

　　1.透过dot operator（.)，例如：

1 CPoint aPoint; // 产生一個 CPoint object，名为 aPoint
2 aPoint.x(); // 唤 起 CPoint::x()
3 aPoint._x = 7.0; // 使 用 CPoint 的 data member

　　2.透过arrow operator（->)，例如：

1 CPoint* pPoint = new CPoint; // 产生一个 CPoint object，由 pPoint 指向它
2 pPoint->x(); // 唤 起 CPoint::x()
3 pPoint->_x = 7.0; // 使用 CPoint 的 data member

　　3.透过scope resolution operator（::)，例如：

1 CPoint::foo(); // foo() must be a static member function
2 CPoint::ratio = 0.2; // ratio must be a static data member

　　第三种方法未通过任何对象访问成员，表明这些成员应属于类层次，即静态成员（Static Members）。若错误地通过对象访问非静态成员，如CPoint::foo()，将引发错误。静态成员应通过类名访问，非静态成员应通过对象实例访问。

五、特殊的 Static Members（静态成员）

　　Class中可以使用static关键，使members成为静态。

　　静态的意思是这份members属于class而非object所有。听起来有点奇怪，因为class只是属性，而object才是实体。很难一言以敝之，让我们将members细分为data 和function来讨论。

　　当你看完以下的剖析，你会认为static data members和global variables很像，static member functions和global functions 很像。一点没错，从功能而言，global 可以取代static。不过，以面对对象的观点来看，这些members如查在性质上与class息息相关，不是设计成class的static members为佳，面对对象的程序设计中，我们希望global的东西越少越好。

1. Static Data Members（静态数据成员）

　　虽说data属于object实体所有，但程序设计中有些数据也希望由各object共享，所以提升到class层级比较理想。例如我们设计一个银行储户的class：

1 class SavingAccount
2 {
3 private:
4     char   m_name[40];//储户姓名
5     char   m_addr[60];//储户地址
6     double m_total;//账户金额
7     double m_rate;//利率
8 };

　　这家银行采用浮动利率，每个账户的利息是根据当天的利率来计算的，这时m_rate就不适合成为每个object的数据了，否则每天一开市，光把所有的账户内容调出来，修改m_rate的值，就花了不少时间。m_rate应该独立于各object之外，成为class的独一无二的数据；具体怎么做？在m_rate前面加上Static关键字就行了：

1 class SavingAccount
2 {
3 private:
4     char   m_name[40];//储户姓名
5     char   m_addr[60];//储户地址
6     double m_total;//账户金额
7     Static double m_rate;//利率（注意，这里只是声明，不是定义，未分配内存）
8 };

　　Static data members不属于object的一部份，而是class的一部份，所以程序可以在还没有生成任何object的时候就处理Static data members。但首先，你必须定义它（为它分配内存）。

你应该在.CPP文件中且在class以外的任何区域设定其初始值，例如在main（）之中，或在global function中，或任何函数之外：

1 double SavingAccount::m_rate = 0.0075; // 定义并设定初值
2 void main() // 不指定初值也可以
3 {
4 ...
5 }

　　请注意用词上的严谨：上述“定义”动作常被误以为是“初始化”动作。如果只是单纯的初值设定动作，应该可以安排在class constructor中，但上一行绝对无法如此。此外，你也不应该把上述的定义安排于.H文件中，因为这么一来它可能会被含入许多.CPP文件中，于是就重复定义了（会发生连接错误）。

　　上述动作有没有考虑m_rate是private数据呢？没有关系，定义static data members,不受任何封装层级的约束。请注意上述动作也指出static data members的类型，因为这是一个定义动作，不是一个数值指定动作，如果没有做这个动作，m_rate就没有获得内存，会发生异常错误：

error LNK2001: unresolved external symbol "private: static double
SavingAccount::m_rate"(?m_rate@SavingAccount@@2HA)

　　下面是存取static data members的一种方式，注意：此时还没有任何object存在：

1 void main()
2 {
3 SavingAccount::m_rate = 0.0072; // 此行要成立，m_rate 需改为public
4 }

　　第二种方式是产生一个object后，透过object来处理static data members：

1 void main()
2 {
3 SavingAccount myAccount;
4 myAccount.m_rate = 0.0072; // 此行要成立，m_rate 需改为 public
5 }

　　请注意，static data members并不是因为myAccount object的实现而才得以实现，它本来就存在。因此第一种的处理方式不容易给人错误印象；

2. Static Menber Functions（静态成员函数）

　　既然static data members 是超越于object之外存在的，一般的member functions能否处理它呢？要知道，，member function得经由某个object才能调用，该object地址则成为所谓的this指针，但由于static data members并不需要靠this指针的指引来决定其地址，所以其实任何函数（包含global函数），只要access level允许，都可以处理static data members。

　　但member function得经由某个object才能调用，如果你在尚未产生任何object之前，就希望透过某个member function来更我以为前例的static m_rate,而它又是private(以至于不能被global函数处理）那么一定要写个static member function了：

 1 class SavingAccount
 2 {
 3 private:
 4     char   m_name[40];//储户姓名
 5     char   m_addr[60];//储户地址
 6     double m_total;//账户金额
 7     Static double m_rate;//利率（注意，这里只是声明，未分配内存）
 8 public:
 9     static void setRate(double newRate){m_rate=newRate;}
10 };
11 
12 double SavingAccount::m_rate=0.0072; //设初值
13 
14 int main()
15 {
16     SavingAccount myAccount;
17     //可以透过object调用static member functions
18     myAccount.setRate(0.0072);
19     //也可以直接调用static memberfunction
20     SavingAccount::setRate(0.0072);
21     
22     return 0;
23 }

　　由于static member functions 不需要任何object的存就可以被调用，所以编译器不会为它暗加一个this指针。也因为如此，static member function无法处理任何non-static data members，因为member function之所以能够以单一一份函数代码处理各个object的数据而不乱，完全靠的是this指针。

3. Static Object Members（静态对象成员）

　　Object members应该被视为和一般的data members 样地位，只不过它是class类型，而一般data members是内建类型。当它冠上static，表示它所寄生的class一旦声明完成（未产生object），并且对static members做了初始化动作，这个static object member就已经在内存中有了实体。例如：

 1 class Point3d
 2 { public:
 3 // ...
 4 public: // (protected: is better)
 5 static Point3d origin;
 6 float x, y, z;
 7 };
 8 Point3d Point3d::origin; // 別忘了这个动作（其实就是实体配置）
 9 
10 int main()
11 {
12     printf("&Point3d::x = %p\n", &Point3d::x); // 00000004
13     printf("&Point3d::y = %p\n", &Point3d::y); // 00000008
14     printf("&Point3d::z = %p\n", &Point3d::z); // 0000000C
15     printf("&Point3d::origin = %p\n", &Point3d::origin); // 0040A450
16     printf("&Point3d::origin.x = %p\n", &Point3d::origin.x); // 0040A454
17     printf("&Point3d::origin.y = %p\n", &Point3d::origin.y); // 0040A458
18     printf("&Point3d::origin.z = %p\n", &Point3d::origin.z); // 0040A45C
19     Point3d pt3d;
20     cout << "&pt3d.x = " << &pt3d.x << endl;
21     cout << "&pt3d.y = " << &pt3d.y << endl;
22     // 0x0063FDEC
23     // 0x0063FDF0
24     cout << "&pt3d.z = " << &pt3d.z << endl; // 0x0063FDF4
25     
26 }

4. Static Objects（静态对象）

　　static 关键字也可以应用在object身上，像这样：

static CPoint aPoint(3.6);

　　aPoint于是就成为一个static object，这个object的生命将持续到整个程序结束为止。