类

介绍

一个简单的类图

类的实质是 一种数据类型，类似于int、char等基本类型，不同的是它是一种复杂的数据类型。因为它的本质是类型，而不是数据，所以不存在于内存中，不能被直接操作，只有被实例化为对象时，才会变得可操作。

类是 对现实生活中一类具有共同特征的事物的抽象。如果一个程序里提供的类型与应用中的概念有直接的对应，这个程序就会更容易理解，也更容易修改。一组经过很好选择的用户定义的类会使程序更简洁。此外，它还能使各种形式的代码分析更容易进行。特别地，它还会使编译器有可能检查对象的非法使用。

类的内部封装了方法，用于操作自身的成员。类是对某种对象的定义，具有行为(be-havior)，它描述一个对象能够做什么以及做的方法(method)，它们是可以对这个对象进行操作的程序和过程。它包含有关对象行为方式的信息，包括它的名称、方法、属性和事件。

类的构成包括数据成员和成员函数。数据成员对应类的属性，类的数据成员也是一种数据类型，并不需要分配内存。成员函数则用于操作类的各项属性，是一个类具有的特有的操作，比如“学生”可以“上课”，而“水果”则不能。类和外界发生交互的操作称为接口。

用法

定义一个类

1. 公有成员、私有成员、保护成员均包含数据成员和成员函数两部分，彼此没有顺序之分。一个public/private/protected关键字下可以跟多个成员，直到下一个public/private/protected关键字。如果成员前面没有public/private/protected关键字，默认为私有成员。

2. 结尾部分的分号必不可少，否则会发生语法错误。

3. 无论公有成员、私有成员还是保护成员，彼此之间都可以访问。比如公有的成员函数可以操作保护的数据成员，也可以调用私有的成员函数。

4. 类的数据成员是类型，所以不能被赋值，声明数据成员和声明普通变量的格式相同，比如“int n;”。

成员函数的实现

成员函数可以在类内实现，也可以在类外实现。内部实现的成员函数被默认为加上了inline；外部实现的成员函数必须加上域操作符，即“类名::成员函数”。

构造函数与析构函数

构造函数和析构函数是特殊的成员函数，和普通成员函数不同的地方在于：

1. 函数名固定

   构造函数和析构函数的函数名必须是类名。

2. 声明格式不同

   构造函数和析构函数没有返回值，连空返回值——void也没有。

   构造函数的声明形式：类名(参数列表);

   析构函数的声明形式：~类名();

3. 重载的特殊性

   构造函数和普通成员函数一样可以被重载，析构函数不可以重载，只能是空参数。

4. 调用过程不同

   构造函数和析构函数不能被显式地调用，只能由编译器自动调用。

构造函数用于创建类的对象，任何创建对象的行为，都会导致构造函数被调用。析构函数和构造函数的功能相反，析构函数用于销毁对象，当类的对象超出作用域被销毁时，析构函数被调用。

即使显式地定义构造函数和析构函数，也还是会有默认的构造函数和析构函数，函数内部无任何语句，不执行任何操作。默认构造函数是无参数的。需要注意的是，一旦显式定义任意形参的构造函数，默认构造函数都不会生成，即只有没有定义构造函数的类才存在默认构造函数。

一般情况下，默认的构造函数和析构函数可以满足功能需要，然而当需要重载构造函数，或是需要动态分配资源的时候，就不得不定义自己的构造函数甚至析构函数了。

拷贝构造函数是特殊的构造函数，在复制对象时被调用，定义的格式为“类名(类名& 参数名)”。拷贝构造函数也存在默认的，但很多情况下都需要重载。

类的实例化

就像声明某种类型的变量一样，声明一个类类型的对象，就是类的实例化，会涉及到必要的内存分配。

不同语言中类的实例化形式是不同的。

1. C++

   类名 对象名(参数列表);

   如果没有参数，括号必须省略，即“类名 对象名;”，自动调用构造函数。特殊地，参数可以是类的对象，此时会自动调用拷贝构造函数。

2. Java/C#

   类名 对象名 = new 类名(参数列表);

   括号不能省略。

对象可以访问类的成员，但并不是所有成员都可以被访问，能否访问取决于声明该成员时所用的关键字（public/protected/private）。具体规则如下：

1. 类的公有成员可以被该类，其派生类和类实例化的对象访问。

2. 类的保护成员可以被该类及其派生类访问，不可以被该类的对象访问。

3. 类的私有成员可以被该类访问，不可以被派生类及其该类的对象访问。

派生与继承

1. 子类即是继承而来的类，父类即是被继承的类，或者称之为基类。

2. public修饰的为公有继承，private修饰的为私有继承，protected修饰的为保护继承。

3. 父类可以只有一个，也可以有多个。只有一个父类称为单继承，多个父类称为多继承。C++支持多继承的机制，Java则只具有单继承功能，并增加了“接口”的概念，一个类可以实现多个接口。

4. 如果不标明继承方式，默认为私有继承。

派生和继承是类的重要特性，继承是由抽象到具体的体现。通过继承，子类可以使用父类的成员。

但要注意的是，派生和继承在带来方便的同时，也会使类与类之间的关系变得复杂，尤其是涉及到私有继承和保护继承时，类中成员的关系可能会变得难以理解。所以在涉及类时，尽量避免过多层次的继承，私有继承和保护继承的使用也要慎重。

继承来的成员和自身声明的成员并无本质区别，也有公有成员、私有成员、保护成员之分。继承时，父类中成员类型（公有成员/私有成员/保护成员）和继承方式（公有继承/私有继承/保护继承）不同，情况不同。可以归纳为：

三种类型的继承，父类的成员均被子类继承（之前的百科关于这点的描述是错误的），只是由类实例化的对象对其继承的成员的访问权限会有所变化。三种不同方式的继承，描述的是子类实例化对象对其成员的访问权限，并非是描述子类时，子类对继承自父类的成员的访问权限。

1. 公有继承

   继承自父类的成员保持不变。

2. 私有继承

   继承自父类的成员全部变为私有成员。

3. 保护继承

   继承自父类的公有成员变为保护成员，其余不变。

操作符重载

操作符重载必须在类中进行，重载操作符可以使操作符对在类中的语义发生变化。除了. ，.* ，：： ，? : 、sizeof、typeid这几个运算符不能重载之外，大部分运算符都能被重载。但要注意，重载操作符并不能改变操作符的优先级和结合律，而且从认知规律上讲，重载的操作符功能必须与原意相近，否则很难被人理解。

操作符重载是函数，在使用该操作符时被调用。操作符重载函数的声明形式：返回值 operator操作符(参数列表);

友元

友元可以是函数，被称为友元函数；也可以是类，被称为友元类。

通常，类中的私有成员只能被自身使用，无法被它的对象访问。因此，另一个类即便可以使用该类的对象，也无法访问该类的私有成员，通过定义友元的方法可以做到这一点。

友元就是在一个类中“再次声明”另一个类的成员函数或是另一个类，被“再次声明”的成员函数或类可以访问该类的私有成员。这种“再次声明”并不是普通的声明，格式为：friend 函数/类名;

显然，友元会破坏类的封装性，使本该隐藏的成员暴露出来，因此应当谨慎使用。

组合

继承可以描述“交通工具”和“公交车”的关系，却无法描述“公交车”和“车轮”的关系。

1. 大多数“车轮”具有的特性是“公交车”所不具有的。比如说“车轮”具有“重量”，而“公交车”的“重量”则是另一个含义。而通过私有成员、保护成员机制控制这些成员的继承性，会使继承变得复杂而难以理解。而且

2. 继承来的数据成员只有一个，而一辆“公交车”却有四个“车轮”，四个“车轮”的“重量”。

引入组合的概念，“公交车”完全可以由“车轮”、“方向盘”、“车身”等类组合而来。方法就是将类当成其他的数据类型一样，在另一个类中定义该类类型的数据成员。

抽象类

并不是所有种类的事物都可以被实例化，换而言之，有的种类只是一种抽象概念，现实中并没有实际存在的对应物。比如：假设所有的动物都会叫，我们可以定义一个类——“动物”，定义类中的一个成员函数——“叫”，我们知道猫的叫声，也知道狗的叫声，然而“动物”是如何“叫”的？——我们根本无法实现它。所以，我们引入了抽象类的概念，抽象类是无法被实例化的，无法声明抽象类的对象。

通常，用 abstract 修饰的类是抽象类；C++中包含纯虚函数的类是抽象类；Java中含有抽象方法的类是抽象类；继承了纯虚函数而没有实现它的类也是抽象类。

抽象类只能被用作基类，作用体现在：

1. 约束派生类必须实现的成员函数或方法。

2. 不同派生类中同名的成员函数实现不同，体现了多态性。

静态成员

用static修饰的成员是静态成员，可以是成员函数或数据成员。静态成员是所有对象共有的，只分配一次内存，产生新的对象时不会产生副本。

静态数据成员的初始化必须在类外进行，使用静态成员时必须使用类名和域操作符。

特性

类的三大特性

1.封装性

将数据和操作封装为一个有机的整体，由于类中私有成员都是隐藏的，只向外部提供有限的接口，所以能够保证内部的高内聚性和与外部的低耦合性。用者不必了解具体的实现细节，而只是要通过外部接口，以特定的访问权限来使用类的成员，能够增强安全性和简化编程。

2.继承性

继承性更符合认知规律，使程序更易于理解，同时节省不必要的重复代码。

3.多态性

同一操作作用于不同对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。在运行时，可以通过指向基类的指针，来调用实现派生类中的方法。

与结构体的区别

在C++、C#语言中，class和struct都可以定义一个类，它们的区别如下：

1.C#中，class是引用类型，继承自System.Object类；struct是值类型，继承自System.ValueType类，不具多态性。但是注意，System.ValueType是个引用类型。

2.从职能观点来看，class表现为行为；而struct常用于存储数据。

3.class支持继承，可以继承自类和接口；而struct没有继承性，struct不能从class继承，也不能作为class的基类，但struct支持接口继承。

4.class可以声明无参构造函数，可以声明析构函数；而struct只能声明带参数构造函数，且不能声明析构函数。因此，struct没有自定义的默认无参构造函数，默认无参构造器只是简单地把所有值初始化为它们的0等价值。

5.Java/C#中，实例化时，class要使用new关键字；而struct可以不使用new关键字，如果不以new来实例化struct，则其所有的字段将处于未分配状态，直到所有字段完成初始化，否则引用未赋值的字段会导致编译错误。

6.class可以实现抽象类（abstract），可以声明抽象函数；而struct为抽象，也不能声明抽象函数。

7.class可以声明protected成员、virtual成员、sealed成员和override成员；而struct不可以，但是值得注意的是，struct可以重载System.Object的3个虚方法，Equals()、ToString()和 GetHashTable()。

8.class的对象复制分为浅拷贝和深拷贝，必须经过特别的方法来完成复制；而struct创建的对象复制简单，可以直接以等号连接即可。

9.class实例由垃圾回收机制来保证内存的回收处理；而struct变量使用完后立即自动解除内存分配。

10.作为参数传递时，class变量是以按址方式传递；而struct变量是以按值方式传递的。

我们可以简单的理解，class是一个可以动的机器，有行为，有多态，有继承；而struct就是个零件箱，组合了不同结构的零件。其实，class和struct最本质的区别就在于class是引用类型，内存分配于托管堆；而struct是值类型，内存分配于线程的堆栈上。由此差异，导致了上述所有的不同点。所以只有深刻的理解内存分配的相关内容，才能更好的驾驭。

当然，使用class基本可以替代struct的任何场合，class后来居上。虽然在某些方面struct有性能方面的优势，但是在面向对象编程里，基本是class横行的天下。

那么，有人不免会提出，既然class几乎可以完全替代struct来实现所有的功能，那么struct还有存在的必要吗？答案是，至少在以下情况下，鉴于性能上的考虑，我们应该考虑使用struct来代替class：

1.实现一个主要用于存储数据的结构时，可以考虑struct。

2.struct变量占有堆栈的空间，因此只适用于数据量相对小的场合。

3.struct数组具有更高的效率。

示例

类的复用