第 9 章 C++ 类和对象

目录介绍

• 9.1 类的介绍
  • 9.1.1 类的含义
  • 9.1.2 struct和class区别
  • 9.1.3 综合案例与思考
• 9.2 类定义和对象
  • 9.2.1 类的定义
  • 9.2.2 创建对象
  • 9.2.3 访问类成员
  • 9.2.4 对象指针
  • 9.2.6 案例实践
  • 9.2.6 综合案例与思考
• 9.3 类成员属性
  • 9.3.1 成员变量
  • 9.3.2 成员函数
  • 9.3.3 访问权限
  • 9.3.4 成员设置私有
  • 9.3.5 explicit
  • 9.3.6 案例实践
  • 9.3.6 综合案例与思考
• 9.4 对象初始化
  • 9.4.1 构造和析构函数
  • 9.4.2 构造函数分类
  • 9.4.3 拷贝构造函数
  • 9.4.4 构造调用规则
  • 9.4.5 初始化列表
  • 9.4.7 委托构造函数
  • 9.4.10 深拷贝与浅拷贝
  • 9.4.11 对象生命周期
  • 9.4.12 综合案例与思考
• 9.5 类对象使用
  • 9.5.1 类对象作为类成员
  • 9.5.2 综合案例与思考
• 9.6 对象模型和this
  • 9.6.1 变量和函数存储
  • 9.6.2 this指针概念
  • 9.6.3 空指针访问成员函数
  • 9.6.4 const修饰成员函数
  • 9.6.5 综合案例与思考
• 9.7 友元类和函数
  • 9.7.1 友元三种实现
  • 9.7.2 全局函数做友元
  • 9.7.3 类做友元
  • 9.7.4 成员函数做友元
  • 9.7.5 综合案例与思考
• 9.9 综合案例练习
  • 9.9.1 指针VS对象
  • 9.9.2 创建对象方式
• 9.10 类和对象底层原理
  • 9.10.1 对象内存布局
  • 9.10.2 构造函数与析构函数的调用机制
  • 9.10.3 this指针的底层实现
  • 9.10.4 访问控制的编译期本质
• 9.11 类和对象训练题
• 9.12 综合思考题

9.1 类的介绍

9.1.1 类的含义

类是一种用户自定义的数据类型，用于封装数据和方法（函数）。类可以看作是一种模板，用于创建具有相似属性和行为的对象。

一个类可以创建多个对象，每个对象都是类类型的一个变量；创建对象的过程也叫类的实例化。每个对象都是类的一个具体实例（Instance），拥有类的成员变量和成员函数。

与结构体一样，类只是一种复杂数据类型的声明，不占用内存空间。而对象是类这种数据类型的一个变量，或者说是通过类这种数据类型创建出来的一份实实在在的数据，所以占用内存空间。

类背后的基本思想：数据抽象（data abstraction）和封装（encapsulation）。

9.1.2 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

• struct 默认权限为公共
• class 默认权限为私有

#include <iostream>
using namespace std;

// 使用结构体
struct Point1 {
    int x, y; // 默认是 public
};

// 使用类
class Point2 {
    int x, y; // 默认是 private
public:
    void set(int a, int b) {
        x = a;
        y = b;
    }
    void print() {
        cout << "x: " << x << ", y: " << y << endl;
    }
};

int main() {
    Point1 p1;
    p1.x = 10; // 可以直接访问
    p1.y = 20;
    cout << "Point1: " << p1.x << ", " << p1.y << endl;

    Point2 p2;
    p2.set(30, 40); // 需要通过公有成员函数访问
    p2.print();

    return 0;
}

输出：

Point1: 10, 20
x: 30, y: 40

9.1.3 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 用 struct 定义一个简单的数据载体
struct Point {
    double x, y;   // 默认 public
    void print() {
        cout << "Point(" << x << ", " << y << ")" << endl;
    }
};

// 用 class 定义一个封装良好的类
class Circle {
    double radius;  // 默认 private
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    
    double area() const { return 3.14159 * radius * radius; }
    double perimeter() const { return 2 * 3.14159 * radius; }
    
    // 友好输出
    void show() const {
        cout << "Circle(radius=" << radius 
             << ", area=" << area() 
             << ", perimeter=" << perimeter() << ")" << endl;
    }
};

int main() {
    // struct: 直接访问成员
    Point p{3.0, 4.0};
    p.print();              // Point(3.0, 4.0)
    p.x = 10;              // 可以直接修改
    
    // class: 通过接口访问
    Circle c(5.0);
    c.show();               // 输出面积和周长
    // c.radius = 10;       // 编译错误！private 不可直接访问
    
    // 验证类和对象的关系
    cout << "sizeof(Circle) = " << sizeof(Circle) << endl;  // 类对象占内存
    cout << "Circle 只有一个 double 成员，大小 = " << sizeof(double) << endl;
    
    // 一个类可以创建多个独立对象
    Circle c1(1), c2(2), c3(3);
    c1.show(); c2.show(); c3.show();
    
    return 0;
}

案例知识融合：本案例同时使用 struct 和 class 定义了几何图形相关类型。Point 用 struct 定义，成员默认 public，适合简单数据载体；Circle 用 class 定义，数据封装在 private 中，外部只能通过公有接口操作，体现了类的核心思想——数据抽象与封装。通过 sizeof 验证了类本身是模板不占空间、对象才占内存的概念。

思考题：

1. 如果把 Circle 的 radius 改为 public，代码功能不变，但设计上有什么隐患？
2. sizeof(Circle) 的值是多少？如果给 Circle 添加一个虚函数，sizeof 会如何变化？为什么？
3. struct 和 class 除了默认访问权限不同，在继承时的默认访问方式有何区别？

9.2 类定义和对象

9.2.1 类的定义

类是用户自定义的类型，如果程序中要用到类，必须提前说明，或者使用已存在的类（别人写好的类、标准库中的类等），C++语法本身并不提供现成的类的名称、结构和内容。

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 }; 一个简单的类的定义：

class Student{
public:
    //成员变量
    char *name;
    int age;
    float score;

    //成员函数
    void say(){
        cout<<name<<"的年龄是"<<age<<"，成绩是"<<score<<endl;
    }
};

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

类只是一个模板（Template），编译后不占用内存空间，所以在定义类时不能对成员变量进行初始化，因为没有地方存储数据。只有在创建对象以后才会给成员变量分配内存，这个时候就可以赋值了。

9.2.2 创建对象

在创建对象时，class 关键字可要可不要，但是出于习惯我们通常会省略掉 class 关键字。除了创建单个对象，还可以创建对象数组：

void test2_2(){
    class Student yc1;  //正确
    Student yc2;  //同样正确
    Student yc3[100];   //创建对象数组
}

注意：如果Student拥有有参构造函数，则创建可以是这样的

class Student {
private:
  std::string number;
  std::string name;
public:
  Student(const std::string& number, const std::string& name) {
    this.number = number;
    this.name = name;
  }
}

//通过有参函数创建对象，如下
Student yc1(number, name);

9.2.3 访问类成员

创建对象以后，可以使用点号.来访问成员变量和成员函数，这和通过结构体变量来访问它的成员类似，如下所示：

int main() {
    Student stu;
    stu.name = "打工充";
    stu.age = 30;
    stu.score = 100;
    stu.say();
    return 0;
}

stu 是一个对象，占用内存空间，可以对它的成员变量赋值，也可以读取它的成员变量。

9.2.4 对象指针

C语言中经典的指针在 C++ 中仍然广泛使用，尤其是指向对象的指针，没有它就不能实现某些功能。

创建的对象 stu 在栈上分配内存，需要使用&获取它的地址，例如：

Student stu;
Student *pStu = &stu;

也可以在堆上创建对象，这个时候就需要使用前面讲到的new关键字

Student *pStu = new Student;

在栈上创建出来的对象都有一个名字，比如 stu，使用指针指向它不是必须的。但是通过 new 创建出来的对象就不一样了，它在堆上分配内存，没有名字，只能得到一个指向它的指针，所以必须使用一个指针变量来接收这个指针，否则以后再也无法找到这个对象了，更没有办法使用它。也就是说，使用 new 在堆上创建出来的对象是匿名的，没法直接使用，必须要用一个指针指向它，再借助指针来访问它的成员变量或成员函数。

栈内存是程序自动管理的，不能使用 delete 删除在栈上创建的对象；堆内存由程序员管理，对象使用完毕后可以通过 delete 删除。在实际开发中，new 和 delete 往往成对出现，以保证及时删除不再使用的对象，防止无用内存堆积。

int main() {
    Student *pStu = new Student;
    pStu->name = "打工充";
    pStu->age = 30;
    pStu->score = 92.5f;
    pStu->say();
    delete pStu;  //删除对象
    return 0;
}

9.2.5 案例实践

示例1：设计一个圆类，求圆的周长

//圆周率
const double PI = 3.14;
//封装一个圆类，求圆的周长
//class代表设计一个类，后面跟着的是类名
class Circle {
public:     //访问权限  公共的权限
    //属性
    int r;
    //行为
    //获取到圆的周长
    double calculate() {
        //获取圆的周长
        return 2*PI*r;
    }
};

int main() {
    //通过圆类，创建圆的对象
    // c1就是一个具体的圆
    Circle c1;
    c1.r = 10; //给圆对象的半径 进行赋值操作
    //2 * pi * 10 = = 62.8
    cout << "圆的周长为： " << c1.calculate() << endl;
	return 0;
}

示例2：设计一个学生类，属性有姓名和学号，可以给姓名和学号赋值，可以显示学生的姓名和学号

//学生类
class Student {
public:
    void setName(string name) {
        m_name = name;
    }
    void setID(int id) {
        m_id = id;
    }
    void showStudent() {
        cout << "name:" << m_name << " ID:" << m_id << endl;
    }
public:
    string m_name;
    int m_id;
};

int main() {
    Student stu;
    stu.setName("德玛西亚");
    stu.setID(250);
    stu.showStudent();
    return 0;
}

9.2.6 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class BankAccount {
private:
    string owner;
    double balance;
    int id;
    static int nextId;  // 静态成员，自动分配ID
    
public:
    // 构造函数
    BankAccount(const string& name, double init = 0.0)
        : owner(name), balance(init), id(nextId++) {}
    
    // 存款
    void deposit(double amount) {
        if (amount > 0) balance += amount;
    }
    
    // 查询
    void display() const {
        cout << "[ID:" << id << "] " << owner 
             << " 余额: " << balance << "元" << endl;
    }
    
    // 通过指针操作演示
    static void transferViaPointer(BankAccount* from, BankAccount* to, double amount) {
        if (from->balance >= amount) {
            from->balance -= amount;
            to->balance += amount;
            cout << from->owner << " -> " << to->owner 
                 << " 转账" << amount << "元" << endl;
        }
    }
};

int BankAccount::nextId = 1001;

int main() {
    // 栈上创建对象 —— 用.访问
    BankAccount acc1("张三", 5000);
    BankAccount acc2("李四", 3000);
    acc1.display();
    acc2.display();
    
    // 堆上创建对象 —— 用->访问
    BankAccount* pAcc = new BankAccount("王五", 10000);
    pAcc->display();
    pAcc->deposit(2000);
    pAcc->display();
    
    // 对象指针操作
    BankAccount::transferViaPointer(&acc1, &acc2, 1500);
    acc1.display();
    acc2.display();
    
    // 对象数组
    BankAccount accounts[] = {
        BankAccount("用户A", 100),
        BankAccount("用户B", 200),
        BankAccount("用户C", 300)
    };
    for (const auto& acc : accounts) acc.display();
    
    delete pAcc;
    return 0;
}

案例知识融合：本案例通过银行账户类综合展示了类的定义（属性+行为封装）、创建对象（栈上vs堆上）、访问类成员（.号和->号）、对象指针（new/delete管理堆对象）以及静态成员变量（自动递增ID）。转账函数通过指针参数操作对象，体现了指针在对象间交互中的价值。

思考题：

1. 栈上对象和堆上对象的生命周期有何不同？什么时候应该用 new 创建对象？
2. 为什么 nextId 要声明为 static？如果去掉 static 会有什么问题？
3. display() 函数后面的 const 有什么作用？如果去掉会影响哪些调用场景？

9.3 类成员属性

类成员 （Member）必须在类的内部声明，不能在其他地方增加成员。成员可以是：数据，函数，类型别名。

9.3.1 成员变量

普通成员变量

1. 类中的成员变量，也称为实例变量或对象变量。
2. 普通成员变量定义在类的内部，通常在类的声明中声明，并在类的定义或实现中进行初始化。

静态成员变量

1. 所有对象共享同一份数据
2. 在编译阶段分配内存
3. 类内声明，类外初始化

class Person{
public:
    static int a;   //静态成员变量
    int c;      //普通成员变量
private:
    static int b;  //静态成员变量也是有访问权限的
};

int Person::a = 10;
int Person::b = 10;

int main() {
    //1、通过对象
    Person p1;
    p1.a = 100;
    cout << "p1.a = " << p1.a << endl;

    Person p2;
    p2.a = 200;
    p2.c = 300;
    cout << "p1.a = " << p1.a << endl; //共享同一份数据
    cout << "p2.a = " << p2.a << endl;
    cout << "p1.c = " << p1.c << endl;
    cout << "p2.c = " << p2.c << endl;

    //2、通过类名
    cout << "a = " << Person::a << endl;
    
    //cout << "b = " << Person::b << endl; //私有权限访问不到
}

9.3.2 成员函数

普通成员函数

1. 普通成员函数是类中的成员函数，也称为实例方法或对象方法。
2. 普通成员函数定义在类的内部，通常在类的声明中声明，并在类的定义或实现中进行定义。

静态成员函数

1. 所有对象共享同一个函数
2. 静态成员函数只能访问静态成员变量

class Person {
public:
    static int a;
    int b;
    static void func() {
        cout << "func调用，可以直接用类调用，也可以用对象调用" << endl;
        a = 100;
        //b = 100; //错误，不可以访问非静态成员变量
    }
    void func3() {
        cout << "普通func调用，必须用对象调用" << endl;
    }
private:
    //静态成员函数也是有访问权限的
    static void func2() {
        cout << "func2调用" << endl;
    }
};
int Person::a = 10;

int main() {
    //1、通过对象
    Person p1;
    p1.func();
    p1.func3();

    //2、通过类名
    Person::func();
    //Person::func2(); //私有权限访问不到
    return 0;
}

使用点运算符 . 调用成员函数。

9.3.3 访问权限

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：

1. public 公共权限
2. protected 保护权限
3. private 私有权限

理解访问权限可以帮助我们设计更加健壮和安全的类，通过合理设置访问权限，可以控制类的成员对外部代码的可见性，确保数据的安全性和代码的清晰性。

//三种权限
//公共权限  public     类内可以访问  类外可以访问
//保护权限  protected  类内可以访问  类外不可以访问
//私有权限  private    类内可以访问  类外不可以访问

class Person {
    //公共权限
public:
    string name;
    //保护权限
protected:
    string car;
    //私有权限
private:
    int password;
public:
    void func() {
        name = "打工充";
        car = "雅阁";
        password = 123456;
    }
};

int main() {
    Person p;
    p.name = "逗比";
    //p.car = "奔驰";   //保护权限类外访问不到
    //p.password = 123; //私有权限类外访问不到
    return 0;
}

9.3.4 成员设置私有

数据抽象是指，只向外界提供关键信息，并隐藏其后台的实现细节，即只表现必要的信息而不呈现细节。

1. **优点1：**将所有成员属性设置为私有，可以自己控制读写权限
2. **优点2：**对于写权限，我们可以检测数据的有效性

数据抽象是一种面向对象编程的概念，用于隐藏类的内部实现细节，只暴露必要的接口给外部使用。通过数据抽象，可以将类的实现细节与接口分离，提高代码的可维护性和安全性。

class Person {
private:
    string name; //可读可写  姓名
    int age; //只读  年龄
    string lover; //只写  情人
public:
    string getName() {
        return name;
    }

    void setName(string name) {
        Person::name = name;
    }

    int getAge(){
        return age;
    }

    void setAge(int age) {
        Person::age = age;
    }

    void setLover(string lover) {
        this->lover = lover;
    }
};

int main() {
    Person p;
    //姓名设置
    p.setName("张三");
    cout << "姓名： " << p.getName() << endl;
    //年龄设置
    p.setAge(50);
    cout << "年龄： " << p.getAge() << endl;
    //情人设置
    p.setLover("逗比");
    //cout << "情人： " << p.lover << endl;  //只写属性，不可以读取
    return 0;
}

9.3.5 explicit

explicit 是 C++ 中的一个关键字，用于修饰构造函数或类型转换运算符，防止编译器进行隐式类型转换。

class MyClass1 {
public:
    MyClass1(int value) : value_(value) {}
private:
    int value_;
};

class MyClass2 {
public:
    explicit MyClass2(int value) : value_(value) {}
private:
    int value_;
};

void func1(const MyClass1& obj) {}
void func2(const MyClass2& obj) {}

int main() {
    MyClass1 obj11(10);           // 正确：显式调用构造函数
    MyClass1 obj12 = 20;          // 正确：可以隐式转换
    func1(30);                    // 正确：可以隐式转换

    MyClass2 obj21(10);           // 正确：显式调用构造函数
    MyClass2 obj22 = 20;          // 错误：禁止隐式转换
    func2(30);                    // 错误：禁止隐式转换
    return 0;
}

当一个类的构造函数只有一个参数时，编译器可以自动将其用于隐式类型转换。例如，MyClass1 obj12 = 20; 会被编译器解释为 MyClass1 obj12(20);。这种隐式转换虽然方便，但可能导致意外的行为或难以发现的错误。

explicit 关键字用于修饰构造函数或类型转换运算符，禁止编译器进行隐式类型转换。例如，MyClass2 obj22 = 20; 会报错，因为 MyClass2 的构造函数是 explicit 的，必须显式调用。

9.3.6 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Employee {
private:
    string name;
    double salary;
    static int count;           // 静态成员：统计员工总数
    static double totalSalary;  // 静态成员：薪资总和
    
public:
    // explicit 防止隐式转换
    explicit Employee(const string& n, double s = 5000.0)
        : name(n), salary(s) {
        count++;
        totalSalary += salary;
    }
    
    ~Employee() {
        count--;
        totalSalary -= salary;
    }
    
    // getter（只读接口）
    string getName() const { return name; }
    double getSalary() const { return salary; }
    
    // setter（带校验的写接口）
    void setSalary(double s) {
        if (s >= 0) {
            totalSalary += (s - salary);
            salary = s;
        } else {
            cout << "薪资不能为负数！" << endl;
        }
    }
    
    // 静态成员函数：访问静态数据
    static int getCount() { return count; }
    static double getAverageSalary() {
        return count > 0 ? totalSalary / count : 0;
    }
    
    void display() const {
        cout << name << " 薪资:" << salary << endl;
    }
};

int Employee::count = 0;
double Employee::totalSalary = 0;

int main() {
    // explicit 测试
    // Employee e1 = "张三";  // 编译错误！explicit 禁止隐式转换
    Employee e1("张三", 8000);
    Employee e2("李四", 12000);
    Employee e3("王五");  // 使用默认薪资 5000
    
    e1.display();
    e2.display();
    e3.display();
    
    // 通过 setter 修改（带校验）
    e3.setSalary(7000);
    e3.setSalary(-100);  // 校验失败
    
    // 静态成员函数 —— 通过类名调用
    cout << "员工总数: " << Employee::getCount() << endl;
    cout << "平均薪资: " << Employee::getAverageSalary() << endl;
    
    return 0;
}

案例知识融合：本案例综合运用了成员变量（普通vs静态）、成员函数（普通vs静态）、访问权限（private数据+public接口）、成员设置私有（getter/setter模式带数据校验）以及 explicit 关键字（防止单参数构造函数的隐式转换）。静态成员变量在类外初始化，静态成员函数只能访问静态变量，这些规则都在案例中得到体现。

思考题：

1. 如果去掉 explicit，Employee e = "张三" 能编译通过吗？这种隐式转换可能带来什么问题？
2. 静态成员函数为什么不能访问非静态成员变量？从 this 指针的角度解释。
3. 如果 salary 是 public 的，不使用 setter，如何保证数据一致性（如 totalSalary 的正确性）？

9.4 对象初始化

9.4.1 构造和析构函数

对象的初始化和清理也是两个非常重要的安全问题

1. 一个对象或者变量没有初始状态，对其使用后果是未知
2. 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时为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(){}

1. 构造函数，没有返回值也不写void
2. 函数名称与类名相同
3. 构造函数可以有参数，因此可以发生重载
4. 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。资源初始化。

析构函数语法： ~类名(){}

1. 析构函数，没有返回值也不写void
2. 函数名称与类名相同,在名称前加上符号 ~
3. 析构函数不可以有参数，因此不可以发生重载
4. 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。主要是做资源销毁。

class Person {
public:
    Person(){
        cout << "Person的构造函数调用" << endl;
    }
    ~Person() {
        cout << "Person的析构函数调用" << endl;
    }
};

int main() {
    Person p;
    cout << "main" << endl;
    return 0;
}

打印结果如下：

Person的构造函数调用
main
Person的析构函数调用

9.4.2 构造函数分类

两种分类方式：

1. 按参数分为： 有参构造和无参构造
2. 按类型分为： 普通构造和拷贝构造

三种调用方式：

1. 括号法
2. 显示法
3. 隐式转换法

示例：

class Person {
public:
    int age;
public:
    //无参（默认）构造函数
    Person() {
        cout << "无参构造函数!" << endl;
    }
    //有参构造函数
    Person(int a) {
        age = a;
        cout << "有参构造函数!" << endl;
    }
    //拷贝构造函数
    Person(const Person& p) {
        age = p.age;
        cout << "拷贝构造函数!" << endl;
    }
    //析构函数
    ~Person() {
        cout << "析构函数!" << endl;
    }
};

//调用无参构造函数
void test01() {
    Person p; //调用无参构造函数
}

//调用有参的构造函数
void test02() {
    //1.括号法，常用
    Person p1(10);
    //注意1：调用无参构造函数不能加括号，如果加了编译器认为这是一个函数声明
    //Person p2();

    //2.显式法
    Person p2 = Person(10);
    Person p3 = Person(p2);
    //Person(10)单独写就是匿名对象  当前行结束之后，马上析构

    //3隐式转换法
    Person p4 = 10; // Person p4 = Person(10);
    Person p5 = p4; // Person p5 = Person(p4);

    //注意2：不能利用 拷贝构造函数 初始化匿名对象 编译器认为是对象声明
    //Person p5(p4);
}

int main() {
    test01();
    test02();
    return 0;
}

9.4.3 拷贝构造函数

拷贝构造函数（Copy Constructor）是一种特殊的构造函数，用于创建一个新对象，并将其初始化为另一个同类型对象的副本。

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

理解拷贝构造函数的关键在于掌握它的定义、使用场景以及如何避免潜在的问题（如浅拷贝和深拷贝）。示例：

拷贝构造函数的定义形式如下：参数是一个 常量引用（const ClassName& p），表示被拷贝的对象。

class Person {
public:
    int age;
public:
    Person() {
        cout << "无参构造函数!" << endl;
        age = 0;
    }
    Person(int age) {
        cout << "有参构造函数!" << endl;
        age = age;
    }
    Person(const Person& p) {
        cout << "拷贝构造函数!" << endl;
        age = p.age;
    }
    //析构函数在释放内存之前调用
    ~Person() {
        cout << "析构函数!" << endl;
    }
};

//1. 使用一个已经创建完毕的对象来初始化一个新对象
void test1() {
    Person man(80);//p对象已经创建完毕
    Person newman1(man); //调用拷贝构造函数
    Person newman2 = man;   //拷贝构造
    Person newman3;
    newman3 = man;//不是调用拷贝构造函数，赋值操作
}

//2. 值传递的方式给函数参数传值
//相当于Person p1 = p;
void doWork(Person p) {
    cout << "给函数参数传值 " << &p << endl;
}
void test2() {
    Person p;   //无参构造函数
    doWork(p);
}

Person doWork2() {
    Person p1;
    cout << (int *)&p1 << endl;
    return p1;
}

//3. 以值方式返回局部对象
void test3() {
    Person p = doWork2();
    cout << (int *)&p << endl;
}

int main() {
    test1();
    test2();
    test3();
    return 0;
}

9.4.4 构造调用规则

默认情况下，c++编译器至少给一个类添加3个函数

1. 默认构造函数(无参，函数体为空)
2. 默认析构函数(无参，函数体为空)
3. 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：

1. 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
2. 如果用户定义拷贝构造函数，c++不会再提供其他构造函数

class Person {
public:
    int age;
public:
    Person() {
        cout << "无参构造函数!" << endl;
    }
    Person(int a) {
        age = a;
        cout << "有参构造函数!" << a << endl;
    }
    Person (Person& p) {
        age = p.age;
        cout << "拷贝构造函数!" << &p << endl;
    }
    ~Person() {
      cout << "析构函数" << endl;
    }
};

void test1() {
    Person p1(10);
    //如果不写拷贝构造，编译器会自动添加拷贝构造，并且做浅拷贝操作
    Person p2(p1);
    cout << "p2的年龄为： " << p2.age << endl;
}

void test2() {
    //如果用户提供有参构造，编译器不会提供默认构造，会提供拷贝构造
    Person p1; //此时如果用户自己没有提供默认构造，会出错
    Person p2(10); //用户提供的有参
    Person p3(p2); //此时如果用户没有提供拷贝构造，编译器会提供
    //如果用户提供拷贝构造，编译器不会提供其他构造函数
    Person p4; //此时如果用户自己没有提供默认构造，会出错
    Person p5(10); //此时如果用户自己没有提供有参，会出错
    Person p6(p5); //用户自己提供拷贝构造
}

int main() {
    test1();
    test2();
    return 0;
}

9.4.5 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）... {}

示例：

class Person {
private:
    int a;
    int b;
    int c;
public:
//    Person(int a , int b , int c) {
//        //this.a = a;
//        this->a = a;
//        this->b = b;
//        this->c = c;
//    }

    Person(int a , int b , int c) : a(a), b(b) , c(c) {
        cout << "有参构造函数!"  << endl;
    }

    void printPerson() {
        cout << "a:" << a << endl;
        cout << "b:" << b << endl;
        cout << "b:" << c << endl;
    }
};

int main() {
    Person p(1,2,3);
    p.printPerson();
    return 0;
}

9.4.7 委托构造函数

9.4.10 深拷贝与浅拷贝

深浅拷贝是面试经典问题，也是常见的一个坑

1. 浅拷贝：简单的赋值拷贝操作
2. 深拷贝：在堆区重新申请空间，进行拷贝操作

浅拷贝：对于包含动态内存分配或指针成员的类，默认拷贝构造函数会导致 浅拷贝，即多个对象共享同一块内存

1. 重复释放内存：多个对象的析构函数会尝试释放同一块内存，导致程序崩溃。
2. 数据不一致：一个对象修改数据会影响其他对象。

示例：浅拷贝问题

class ShallowCopy {
public:
    int* data;

    ShallowCopy(int value) {
        data = new int(value);
    }

    ~ShallowCopy() {
        delete data;
    }
};

void test1() {
    ShallowCopy obj1(10);
    ShallowCopy obj2 = obj1; // 默认拷贝构造函数（浅拷贝）
    *obj2.data = 20;         // 修改 obj2 的数据
    std::cout << *obj1.data; // 输出 20，obj1 的数据也被修改
}

int main() {
    test1();
    return 0;
}

深拷贝 为了避免浅拷贝问题，需要显式定义拷贝构造函数，实现 深拷贝。深拷贝会为新对象分配独立的内存，并复制原对象的数据。

class DeepCopy {
public:
    int* data;

    DeepCopy(int value) {
        data = new int(value);
    }

    // 深拷贝构造函数
    DeepCopy(const DeepCopy& other) {
        data = new int(*other.data); // 分配新内存并复制数据
    }

    ~DeepCopy() {
        delete data;
    }
};

int main() {
    DeepCopy obj1(10);
    DeepCopy obj2 = obj1; // 调用深拷贝构造函数
    *obj2.data = 20;      // 修改 obj2 的数据
    std::cout << *obj1.data; // 输出 10，obj1 的数据不受影响
    return 0;
}

9.4.11 对象生命周期

C++ 中的对象生命周期由其存储位置决定：

• 自动存储期：局部变量，生命周期在作用域结束时结束。
• 动态存储期：堆上分配的对象，生命周期由程序员控制。
• 静态存储期：全局变量和静态变量，生命周期贯穿整个程序运行期间。

9.4.12 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

class MyString {
private:
    char* data;
    int len;
    
public:
    // 默认构造函数
    MyString() : data(nullptr), len(0) {
        cout << "默认构造" << endl;
    }
    
    // 有参构造函数
    MyString(const char* str) : len(strlen(str)) {
        cout << "有参构造: " << str << endl;
        data = new char[len + 1];
        strcpy(data, str);
    }
    
    // 拷贝构造函数（深拷贝）
    MyString(const MyString& other) : len(other.len) {
        cout << "拷贝构造(深拷贝)" << endl;
        data = new char[len + 1];   // 重新分配内存
        strcpy(data, other.data);
    }
    
    // 委托构造函数
    MyString(const char* str, int repeat) : MyString(str) {
        cout << "委托构造: 重复" << repeat << "次" << endl;
        // 简化：只存一份，记录重复次数
    }
    
    // 初始化列表 + 析构函数
    ~MyString() {
        cout << "析构: " << (data ? data : "null") << endl;
        delete[] data;
        data = nullptr;
    }
    
    void print() const {
        cout << (data ? data : "(empty)") << " [len=" << len << "]" << endl;
    }
};

// 值传递触发拷贝构造
void passByValue(MyString s) {
    cout << "  函数内: ";
    s.print();
}

int main() {
    cout << "=== 1. 构造函数分类 ===" << endl;
    MyString s1;                 // 默认构造
    MyString s2("Hello");        // 有参构造
    MyString s3(s2);             // 拷贝构造（深拷贝）
    MyString s4("World", 3);     // 委托构造
    
    cout << "\n=== 2. 深拷贝验证 ===" << endl;
    s2.print();
    s3.print();  // s3 是 s2 的独立副本
    
    cout << "\n=== 3. 拷贝构造触发场景 ===" << endl;
    passByValue(s2);  // 值传递触发拷贝构造
    
    cout << "\n=== 4. 对象生命周期 ===" << endl;
    {
        MyString temp("临时对象");
        temp.print();
    }  // temp 在此处析构
    cout << "temp 已销毁\n" << endl;
    
    cout << "=== 5. main结束，逆序析构 ===" << endl;
    return 0;
}

案例知识融合：本案例通过自定义字符串类，将对象初始化的所有知识点融为一体：默认构造、有参构造、拷贝构造（深拷贝）、委托构造、初始化列表、析构函数。深拷贝确保每个对象拥有独立内存，避免浅拷贝导致的重复释放问题。值传递参数时自动触发拷贝构造，局部对象离开作用域时自动析构，体现了对象的完整生命周期。

思考题：

1. 如果去掉自定义拷贝构造函数，使用编译器默认的浅拷贝，s3 析构时会发生什么？
2. passByValue(s2) 改为引用传递 passByValue(const MyString& s) 后，拷贝构造还会被调用吗？性能有何差异？
3. 委托构造函数中，能否在委托调用之前执行其他初始化代码？为什么？

9.5 类对象使用

9.5.1 类对象作为类成员

C++类中的成员可以是另一个类的对象，我们称该成员为——>对象成员

例如：B类中有对象A作为成员，A为对象成员

class A {};
class B {
    A a;
};

思考：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？示例：

#include "iostream"
using namespace std;

class Phone {
public:
    string phoneName;
public:
    Phone(string name) {
        cout << "Phone构造" << endl;
        phoneName = name;
    }

    ~Phone() {
        cout << "Phone析构" << endl;
    }
};

class Person{
public:
    string name;
    Phone phone;
public:
    Person(string userName , string phoneName): name(userName), phone(phoneName){
        cout << "Person构造" << endl;
    }
    ~Person(){
        cout << "Person析构" << endl;
    }
    void playGame(){
        cout << name << " 使用" << phone.phoneName << " 牌手机! " << endl;
    }
};

int main() {
    //当类中成员是其他类对象时，我们称该成员为 对象成员
    //构造的顺序是 ：先调用对象成员的构造，再调用本类构造
    //析构顺序与构造相反
    Person p("打工充" , "苹果X");
    p.playGame();
    return 0;
}

打印结果如下所示：

Phone构造
Person构造
打工充 使用苹果X 牌手机! 
Person析构
Phone析构

9.5.2 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Engine {
    string type;
    int horsepower;
public:
    Engine(const string& t, int hp) : type(t), horsepower(hp) {
        cout << "Engine构造: " << type << endl;
    }
    ~Engine() { cout << "Engine析构: " << type << endl; }
    
    string getInfo() const {
        return type + " " + to_string(horsepower) + "马力";
    }
};

class Tire {
    string brand;
    int size;
public:
    Tire(const string& b, int s) : brand(b), size(s) {
        cout << "Tire构造: " << brand << endl;
    }
    ~Tire() { cout << "Tire析构: " << brand << endl; }
    
    string getInfo() const {
        return brand + " R" + to_string(size);
    }
};

class Car {
    string name;
    Engine engine;   // 对象成员1
    Tire tire;       // 对象成员2
public:
    // 通过初始化列表构造对象成员
    Car(const string& n, const string& engineType, int hp,
        const string& tireBrand, int tireSize)
        : name(n), engine(engineType, hp), tire(tireBrand, tireSize) {
        cout << "Car构造: " << name << endl;
    }
    ~Car() { cout << "Car析构: " << name << endl; }
    
    void show() const {
        cout << name << " | 发动机: " << engine.getInfo()
             << " | 轮胎: " << tire.getInfo() << endl;
    }
};

int main() {
    cout << "=== 创建汽车 ===" << endl;
    Car car("特斯拉Model3", "电动机", 283, "米其林", 18);
    car.show();
    cout << "\n=== 程序结束 ===" << endl;
    return 0;
}

案例知识融合：本案例演示了类对象作为类成员的组合关系。Car 类包含 Engine 和 Tire 两个对象成员，通过初始化列表依次构造。输出清晰展示了构造顺序（先成员后自身）和析构顺序（先自身后成员，与构造相反）。这种组合（has-a）关系是面向对象设计中比继承更常用的代码复用方式。

思考题：

1. 如果 Car 的构造函数中不使用初始化列表，而在函数体内给 engine 和 tire 赋值，会发生什么？
2. 对象成员的构造顺序是由初始化列表中的顺序决定的，还是由声明顺序决定的？
3. 如果把 Engine engine 改为 Engine* engine（指针），构造和析构顺序会如何变化？需要注意什么？

9.6 对象模型和this

9.6.1 变量和函数存储

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

class Person {
public:
    //非静态成员变量占对象空间
    int a;
    //静态成员变量不占对象空间
    static int b;
public:
    Person() {
        a = 0;
    }
    //函数也不占对象空间，所有函数共享一个函数实例
    void func() {
        cout << "a:" << this->a << endl;
    }
    //静态成员函数也不占对象空间
    static void sfunc() {
        cout << "静态成员函数也不占对象空间" << endl;
    }
};

int main() {
    cout << sizeof(Person) << endl; //4
    Person p;
    cout << sizeof(p) << endl;  //4
    Person *p2 = new Person();
    cout << sizeof(&p2) << endl;    //8
    cout << sizeof(int) << endl;   //4
    return 0;
}

9.6.2 this指针概念

我们知道在C++中成员变量和成员函数是分开存储的。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，可使用return *this

class Person {
public:
    int age;
    Person(int age) {
        //当形参和成员变量同名时，可用this指针来区分
        this->age = age;
    }
    Person& addPerson(Person person) {
        this->age += person.age;
        //返回对象本身
        return *this;
    }
};

int main() {
    Person p1(10);
    cout << "p1.age = " << p1.age << endl;          //p1.age = 10
    Person p2(20);
    p2.addPerson(p1).addPerson(p1);
    cout << "p2.age = " << p2.age << endl;          //p2.age = 40
    return 0;
}

9.6.3 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

示例：

//空指针访问成员函数
class Person {
public:
    int age;
public:
    void showClassName() {
        cout << "我是Person类!" << endl;
    }
    void showPerson() {
        cout << this->age << endl;
    }
};

void test() {
    Person *p = NULL;
    p->showClassName(); //空指针，可以调用成员函数
    p->showPerson();    //但是如果成员函数中用到了this指针，就不可以了
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

9.6.4 const修饰成员函数

常函数：

1. 成员函数后加const后我们称为这个函数为常函数
2. 常函数内不可以修改成员属性
3. 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：

1. 声明对象前加const称该对象为常对象
2. 常对象只能调用常函数

示例：

//const修饰成员函数
class Person {
public:
    int a;
    mutable int b;//可修改 可变的
public:
    Person() {
        a = 0;
        b = 0;
    }

    //this指针的本质是一个指针常量，指针的指向不可修改
    //如果想让指针指向的值也不可以修改，需要声明常函数
    void const showPerson() {
        //const Type* const pointer;
        //this = NULL; //不能修改指针的指向 Person* const this;
        this->a = 100; //但是this指针指向的对象的数据是可以修改的

        //const修饰成员函数，表示指针指向的内存空间的数据不能修改，除了mutable修饰的变量
        this->b = 100;
    }

    void myFunc() const {
        //a = 10000;
        //this->a = 10000;
    }
    
    
};

//const修饰对象  常对象
void test() {
    const Person person; //常量对象
    //person.a = 100; //常对象不能修改成员变量的值,但是可以访问
    cout << person.a << endl;
    person.b = 200; //但是常对象可以修改mutable修饰成员变量
    cout << person.b << endl;

    //常对象访问成员函数
    person.myFunc(); //常对象不能调用const的函数
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

9.6.5 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Builder {
    string name;
    int floors;
    bool hasGarage;
    mutable int queryCount;  // mutable: 常函数中也可修改
    
public:
    Builder(const string& n) : name(n), floors(1), hasGarage(false), queryCount(0) {}
    
    // 链式调用：返回 *this 引用
    Builder& setFloors(int f) {
        this->floors = f;       // this 区分成员和参数
        return *this;
    }
    
    Builder& addGarage() {
        hasGarage = true;
        return *this;
    }
    
    // 常函数：不修改对象（mutable 除外）
    string describe() const {
        queryCount++;  // mutable 允许在 const 函数中修改
        return name + " " + to_string(floors) + "层" 
               + (hasGarage ? " 带车库" : "");
    }
    
    int getQueryCount() const { return queryCount; }
    
    // 验证空指针安全
    void safeShow() {
        if (this == nullptr) {
            cout << "空指针，无法访问" << endl;
            return;
        }
        cout << describe() << endl;
    }
};

int main() {
    // 链式调用演示（返回 *this）
    Builder house("豪华别墅");
    house.setFloors(3).addGarage();
    cout << house.describe() << endl;
    
    // const 对象只能调用常函数
    const Builder apartment("公寓");
    cout << apartment.describe() << endl;
    // apartment.setFloors(10);  // 编译错误！const对象不能调用非const函数
    
    // mutable 演示
    cout << "查询次数: " << apartment.getQueryCount() << endl;
    apartment.describe();  // 再次查询
    cout << "查询次数: " << apartment.getQueryCount() << endl;
    
    // 验证对象内存模型
    cout << "\nsizeof(Builder) = " << sizeof(Builder) << endl;
    cout << "只有非静态成员变量占对象空间" << endl;
    
    return 0;
}

案例知识融合：本案例综合了对象模型和this指针的核心知识：this指针区分同名变量（this->floors = f）、返回 *this 实现链式调用、const 修饰成员函数（常函数只能被常对象调用）、mutable 关键字突破常函数限制。通过 sizeof 验证了成员函数和静态成员不占对象空间的内存模型。

思考题：

1. 链式调用 house.setFloors(3).addGarage() 中，如果 setFloors 返回的是值而非引用（Builder 而非 Builder&），链式调用还能正常工作吗？结果有什么不同？
2. 为什么空类的 sizeof 是1而不是0？如果给空类加一个虚函数，sizeof 变为多少？
3. mutable 关键字的典型使用场景是什么？滥用它会有什么风险？

9.7 友元类和函数

生活中你的家有客厅(Public)，有你的卧室(Private)。

客厅所有来的客人都可以进去，但是你的卧室是私有的，也就是说只有你能进去。但是呢，你也可以允许你的好闺蜜好基友进去。

在程序里，有些私有属性 也想让类外特殊的一些函数或者类进行访问，就需要用到友元的技术

友元的目的：就是让一个函数或者类，可以访问另一个类中私有成员。

友元的关键字为 ==friend==

9.7.1 友元三种实现

友元的三种实现

1. 全局函数做友元
2. 类做友元
3. 成员函数做友元

9.7.2 全局函数做友元

//友元：目的就是让一个函数或者类，可以访问另一个类中私有成员。
class Building {
    //告诉编译器 goodGay全局函数 是 Building类的好朋友，可以访问类中的私有内容
    friend void goodGay(Building * building);
public:
    Building() {
        this->sittingRoom = "客厅";
        this->bedRoom = "卧室";
    }
public:
    string sittingRoom;//客厅
private:
    string bedRoom; //卧室
};

//全局函数做友元
void goodGay(Building * building){
    cout << "好基友正在访问： " << building->sittingRoom << endl;
    cout << "好基友正在访问： " << building->bedRoom << endl;   //可以访问类中私有函数
}

int main() {
    Building b;
    goodGay(&b);
    return 0;
}

9.7.3 类做友元

class Building;
class goodGay{
public:
    goodGay();
    void visit();
private:
    Building *building;
};

class Building{
    //告诉编译器 goodGay类是Building类的好朋友，可以访问到Building类中私有内容
    friend class goodGay;
public:
    Building();
public:
    string sittingRoom;//客厅
private:
    string bedRoom; //卧室
};

Building::Building() {
    this->sittingRoom = "客厅";
    this->bedRoom = "卧室";
}

goodGay::goodGay() {
    building = new Building;
}

void goodGay::visit(){
    cout << "好基友正在访问" << building->sittingRoom << endl;
    cout << "好基友正在访问" << building->bedRoom << endl;
}

int main() {
    goodGay gg;
    gg.visit();
    return 0;
}

9.7.4 成员函数做友元

class Building;

class goodGay {
public:
    goodGay();
    void visit(); //只让visit函数作为Building的好朋友，可以发访问Building中私有内容
    void visit2();

private:
    Building *building;
};


class Building {
    //告诉编译器  goodGay类中的visit成员函数 是Building好朋友，可以访问私有内容
    friend void goodGay::visit();

public:
    Building();

public:
    string m_SittingRoom; //客厅
private:
    string m_BedRoom;//卧室
};

Building::Building() {
    this->m_SittingRoom = "客厅";
    this->m_BedRoom = "卧室";
}

goodGay::goodGay() {
    building = new Building;
}

void goodGay::visit() {
    cout << "好基友正在访问" << building->m_SittingRoom << endl;
    cout << "好基友正在访问" << building->m_BedRoom << endl;
}

void goodGay::visit2() {
    cout << "好基友正在访问" << building->m_SittingRoom << endl;
    //cout << "好基友正在访问" << building->m_BedRoom << endl;
}

void test01() {
    goodGay gg;
    gg.visit();
}

int main() {
    test01();
    return 0;
}

9.7.5 综合案例与思考

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class BankAccount {
    string owner;
    double balance;

    // 1. 全局函数做友元
    friend void auditAccount(const BankAccount& acc);
    
    // 2. 类做友元
    friend class BankAuditor;
    
    // 3. 成员函数做友元（前置声明）
    friend void TaxOffice::checkBalance(const BankAccount& acc);

public:
    BankAccount(const string& name, double bal) 
        : owner(name), balance(bal) {}
    
    void show() const {
        cout << owner << " 余额: " << balance << endl;
    }
};

// 前置声明的完整实现
class TaxOffice {
public:
    void checkBalance(const BankAccount& acc) {
        // 友元成员函数可以访问私有成员
        cout << "[税务] " << acc.owner << " 余额: " << acc.balance << endl;
    }
};

// 全局友元函数
void auditAccount(const BankAccount& acc) {
    cout << "[审计] " << acc.owner << " 余额: " << acc.balance << endl;
}

// 友元类
class BankAuditor {
public:
    void inspect(const BankAccount& acc) {
        cout << "[审计员] " << acc.owner << " 余额: " << acc.balance << endl;
        if (acc.balance > 100000) {
            cout << "  -> 大额账户，需重点关注" << endl;
        }
    }
};

int main() {
    BankAccount acc("张三", 150000);
    acc.show();
    
    // 全局函数友元
    auditAccount(acc);
    
    // 类友元
    BankAuditor auditor;
    auditor.inspect(acc);
    
    cout << "\n友元破坏了封装性，应谨慎使用！" << endl;
    return 0;
}

案例知识融合：本案例展示了友元的三种实现方式——全局函数做友元、类做友元、成员函数做友元。银行账户的余额是私有的，只有经过授权的审计函数、审计员类和税务部门的特定函数才能访问。友元提供了一种有控制地打破封装的机制，但使用时应该谨慎，因为它会降低类的封装性。

思考题：

1. 友元关系是单向的还是双向的？如果 A 是 B 的友元，B 是否自动成为 A 的友元？
2. 友元关系能否被继承？如果 BankAuditor 有派生类，派生类是否也是 BankAccount 的友元？
3. 除了友元，还有什么方式可以让外部访问类的私有成员？各有什么优缺点？

9.9 综合案例练习

9.9.1 指针VS对象

下面是完整的代码示例，展示了如何通过对象和指针访问成员变量和方法：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

// 定义地址簿类
class AddressBooks {
public:
    // 构造函数
    AddressBooks() : size(0) {
        std::cout << "AddressBooks 对象已创建" << std::endl;
    }
    
    // 添加联系人
    void addContact(const std::string& name) {
        contacts.push_back(name);
        size = contacts.size(); // 更新大小
        std::cout << "添加联系人: " << name << std::endl;
    }
    
    // 显示所有联系人
    void displayContacts() const {
        std::cout << "\n联系人列表 (" << size << " 人):" << std::endl;
        for (const auto& contact : contacts) {
            std::cout << "- " << contact << std::endl;
        }
    }
    
    // 公有成员变量（通常不推荐，仅用于演示）
    int size;

private:
    std::vector<std::string> contacts;
};

int main() {
    // 1. 创建对象
    AddressBooks books;
    
    // 2. 创建指针并指向对象
    AddressBooks *abs;
    abs = &books;
    
    std::cout << "\n=== 通过对象访问成员 ===" << std::endl;
    // 3. 通过对象访问成员变量
    books.size = 0; // 直接访问成员变量
    std::cout << "初始大小: " << books.size << std::endl;
    // 4. 通过对象调用成员方法
    books.addContact("张三");
    books.addContact("李四");
    
    std::cout << "\n=== 通过指针访问成员 ===" << std::endl;
    // 5. 通过指针访问成员变量
    abs->size = 2; // 使用箭头运算符访问成员变量
    std::cout << "设置后的大小: " << abs->size << std::endl;
    // 6. 通过指针调用成员方法
    abs->addContact("王五");
    abs->addContact("赵六");
    
    // 7. 显示最终结果
    std::cout << "\n=== 最终结果 ===" << std::endl;
    books.displayContacts();
    return 0;
}

1. 对象访问成员

// 直接访问成员变量
books.size = 10;

// 调用成员方法
books.addContact("张三");

原理：

• 对象在栈上分配内存
• 编译器知道对象的确切内存布局
• 访问成员时直接计算偏移量
• 方法调用使用静态绑定（编译时确定）

2. 指针访问成员

// 使用箭头运算符访问成员变量
abs->size = 10;

// 使用箭头运算符调用成员方法
abs->addContact("李四");

原理：

• 指针存储对象的内存地址
• 箭头运算符 -> 等价于 (*abs).
• 访问成员时先解引用指针，再访问成员
• 方法调用使用动态绑定（运行时确定）

3. 访问方式对比

特性	对象访问	指针访问
语法	. 运算符	-> 运算符
内存位置	栈或静态区	堆或栈（指向对象）
绑定方式	静态绑定	动态绑定
空值安全	安全	需要检查空指针
多态支持	有限	完全支持
性能	略高	略低（需解引用）

9.9.2 创建对象方式

看下面代码，思考一下，创建对象分别有哪些方式？每一种方式有什么作用？

void Bank::createAccount(const std::string &accNumber, const std::string &accName, double initialBalance) {
    //创建用户
    Account newAccount(accNumber, accName, initialBalance);
    //将用户放到集合中
    accounts.push_back(newAccount);
    std::cout << "开户成功！" << std::endl;
}

1. 方法1: 栈上创建临时对象

直接初始化（当前使用的方式）。优点：语法简洁，自动管理内存。缺点：会发生复制，性能稍差

Account newAccount(accNumber, accName, initialBalance);

拷贝初始化。可能触发额外的复制构造函数调用

Account newAccount = Account(accNumber, accName, initialBalance);

列表初始化（C++11）。现代C++推荐方式，更安全

Account newAccount{accNumber, accName, initialBalance};

2. 直接在容器中构建（推荐）

void Bank::createAccount(const std::string &accNumber, const std::string &accName, double initialBalance) {
  // 直接在vector中构造对象，避免复制
  accounts.emplace_back(accNumber, accName, initialBalance);
  std::cout << "开户成功！" << std::endl;
}

优势分析：

✅ 零复制：直接在容器内存位置构造对象 ✅ 性能更好：避免临时对象创建和复制 ✅ 内存效率：减少内存分配次数

3. 动态内存分配

传统new方式。需要手动管理内存，容易内存泄漏

void Bank::createAccount(const std::string &accNumber, const std::string &accName, double initialBalance) {
    Account* newAccount = new Account(accNumber, accName, initialBalance);
    accounts.push_back(*newAccount);  // 解引用后复制
    delete newAccount;  // 手动释放内存
}

智能指针方式

// 如果accounts是 vector<unique_ptr<Account>>
void Bank::createAccount(const std::string &accNumber, const std::string &accName, double initialBalance) {
    auto newAccount = std::make_unique<Account>(accNumber, accName, initialBalance);
    accounts.push_back(std::move(newAccount));
}

9.10 类和对象底层原理

9.10.1 对象内存布局

C++对象在内存中只存储非静态成员变量，成员函数存储在代码段（Text Segment），所有对象共享同一份函数代码。

内存对齐（Memory Alignment）：

class A {
    char c;    // 1字节
    int i;     // 4字节
    short s;   // 2字节
};

// sizeof(A) = ?
// 不是 1+4+2=7，而是 12！

内存布局（假设4字节对齐）：

偏移量    成员        大小    填充
0x00     c (char)    1字节   +3字节padding
0x04     i (int)     4字节
0x08     s (short)   2字节   +2字节padding
0x0C     ---总计---  12字节

为什么要内存对齐？ CPU从内存读取数据时，以字长（word size）为单位读取。如果一个int变量跨越了两个字的边界，CPU需要两次内存访问+拼接，性能下降。对齐确保每个变量都在合适的地址边界上，实现单次读取。

优化技巧——按大小排列成员：

class B {
    int i;     // 4字节
    short s;   // 2字节
    char c;    // 1字节
};
// sizeof(B) = 8（减少了4字节！）

偏移量    成员        大小    填充
0x00     i (int)     4字节
0x04     s (short)   2字节
0x06     c (char)    1字节   +1字节padding
0x08     ---总计---  8字节

空类的大小：

class Empty {};
// sizeof(Empty) = 1（不是0！）

C++标准要求每个对象必须有唯一的地址。如果空类大小为0，那么两个空类对象可能拥有相同地址，违反了"不同对象必须有不同地址"的规则。因此编译器插入1字节占位符。

含虚函数的类：

class WithVirtual {
    int x;
    virtual void foo() {}
};
// sizeof(WithVirtual) = 16（64位系统）
// 8字节vptr + 4字节x + 4字节padding

当类中有虚函数时，编译器会在对象开头插入一个虚表指针（vptr），指向该类的虚函数表（vtable）。vptr占8字节（64位系统），这就是多态的底层实现基础。

9.10.2 构造函数与析构函数的调用机制

构造函数在汇编层面是一个普通函数，编译器在对象创建时自动插入对它的调用：

class Foo {
    int x;
public:
    Foo(int v) : x(v) {}
};

Foo f(42);

对应汇编（简化）：

; 栈上分配空间（Foo只有一个int，4字节）
sub    rsp, 16                    ; 栈帧对齐

; 调用构造函数：this指针通过rdi传递
lea    rdi, [rbp-4]              ; rdi = &f（对象地址就是this）
mov    esi, 42                    ; esi = 参数v
call   Foo::Foo(int)             ; 调用构造函数

关键发现：构造函数本质就是一个以this指针为隐含第一参数的普通函数。Foo(42)在底层等价于Foo::Foo(&f, 42)。

new操作符的底层——两步操作：

Foo* p = new Foo(42);

; 第1步：分配内存（调用operator new）
mov    edi, 4                     ; 请求4字节
call   operator new(unsigned long) ; 返回堆地址到rax

; 第2步：调用构造函数
mov    rdi, rax                   ; rdi = this = 刚分配的地址
mov    esi, 42                    ; 参数
call   Foo::Foo(int)              ; 构造

new实际是两步操作：先调用operator new分配内存（底层是malloc），再调用构造函数初始化。同理delete是先调用析构函数，再调用operator delete释放内存（底层是free）。

初始化列表 vs 函数体赋值的差异：

class Bar {
    string name;
public:
    // 方式1：初始化列表（推荐）
    Bar(const string& n) : name(n) {}       // 直接构造

    // 方式2：函数体赋值
    // Bar(const string& n) { name = n; }   // 先默认构造，再赋值
};

方式2在底层实际执行了两步：先调用string的默认构造函数创建空字符串，再调用赋值运算符复制内容。方式1只执行一步：直接调用拷贝构造函数。对于复杂类型，初始化列表效率更高。

9.10.3 this指针的底层实现

this是一个隐含参数，通过寄存器传递：

class Counter {
    int count;
public:
    void increment() { count++; }
};

Counter c;
c.increment();

编译器将成员函数转换为：

// 编译器内部等价形式
void Counter_increment(Counter* const this) {
    this->count++;
}
// c.increment() 等价于 Counter_increment(&c)

汇编：

; c.increment() 的调用
lea    rdi, [rbp-4]              ; rdi = &c（this指针）
call   Counter::increment()

; increment() 的函数体
Counter::increment():
    mov    eax, DWORD PTR [rdi]  ; 读取 this->count
    add    eax, 1                 ; count++
    mov    DWORD PTR [rdi], eax  ; 写回
    ret

this在x86-64 ABI中通过rdi寄存器传递（第一个参数的位置），这是一种调用约定（calling convention）。

static成员函数为什么不能访问非静态成员：因为static函数没有this参数！它就是一个普通的全局函数，编译器不会为它传递对象地址。

9.10.4 访问控制的编译期本质

public/protected/private是纯编译期概念，不产生任何运行时开销：

class Secret {
private:
    int hidden = 42;
public:
    int visible = 100;
};

在运行时内存中，hidden和visible紧挨着存放，没有任何屏障。访问控制仅由编译器在编译期检查——如果你在类外写s.hidden，编译器会报错；但如果你用指针偏移"绕过"编译器，完全可以访问：

Secret s;
int* p = reinterpret_cast<int*>(&s);
cout << *p;         // 42，直接读到了private成员！

这说明访问控制是一种程序员之间的约定，而非硬件级保护。它防止的是意外的误用，而非恶意的攻击。

友元（friend）的底层：友元声明只是告诉编译器"这个函数/类在访问检查时视为类内部"，不会生成任何额外代码，零运行时开销。

9.11 类和对象训练题

训练题1：实现一个资源管理类（Rule of Three）

要求：实现一个管理动态整型数组的类，正确实现析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值运算符（三法则）。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <algorithm>
using namespace std;

class IntBuffer {
    int* data_;
    int size_;

public:
    // 构造函数
    explicit IntBuffer(int size) : size_(size) {
        data_ = new int[size_]();  // 零初始化
        cout << "构造: 分配" << size_ << "个int" << endl;
    }

    // 析构函数
    ~IntBuffer() {
        cout << "析构: 释放" << size_ << "个int" << endl;
        delete[] data_;
    }

    // 拷贝构造函数（深拷贝）
    IntBuffer(const IntBuffer& other) : size_(other.size_) {
        cout << "拷贝构造(深拷贝)" << endl;
        data_ = new int[size_];
        memcpy(data_, other.data_, size_ * sizeof(int));
    }

    // 拷贝赋值运算符（copy-and-swap惯用法）
    IntBuffer& operator=(IntBuffer other) {  // 注意：按值传递
        cout << "拷贝赋值(copy-and-swap)" << endl;
        swap(data_, other.data_);
        swap(size_, other.size_);
        return *this;
    }  // other析构，释放旧数据

    int& operator[](int i) { return data_[i]; }
    const int& operator[](int i) const { return data_[i]; }
    int getSize() const { return size_; }

    void print() const {
        cout << "[";
        for (int i = 0; i < size_; ++i) {
            if (i > 0) cout << ", ";
            cout << data_[i];
        }
        cout << "]" << endl;
    }
};

int main() {
    IntBuffer a(5);
    for (int i = 0; i < 5; ++i) a[i] = (i + 1) * 10;
    a.print();  // [10, 20, 30, 40, 50]

    // 深拷贝测试
    IntBuffer b = a;  // 拷贝构造
    b[0] = 999;
    cout << "a: "; a.print();  // [10, 20, 30, 40, 50]（不受影响）
    cout << "b: "; b.print();  // [999, 20, 30, 40, 50]

    // 赋值测试
    IntBuffer c(3);
    c = a;  // 拷贝赋值
    cout << "c: "; c.print();  // [10, 20, 30, 40, 50]

    return 0;
}

练习重点：三法则（Rule of Three）、深拷贝避免double-free、copy-and-swap惯用法实现异常安全的赋值运算符。

---

训练题2：对象生命周期跟踪器

要求：创建一个类，在构造、拷贝、移动、析构时都打印日志，用于理解对象在各种场景下的生命周期。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

class Tracker {
    string name_;
    static int counter_;

public:
    // 默认构造
    Tracker(const string& name = "unnamed")
        : name_(name + "#" + to_string(++counter_)) {
        cout << "  [构造] " << name_ << endl;
    }

    // 拷贝构造
    Tracker(const Tracker& other)
        : name_(other.name_ + "(copy)") {
        cout << "  [拷贝构造] " << name_ << endl;
    }

    // 移动构造
    Tracker(Tracker&& other) noexcept
        : name_(other.name_ + "(move)") {
        other.name_ = "moved-from";
        cout << "  [移动构造] " << name_ << endl;
    }

    // 析构
    ~Tracker() {
        cout << "  [析构] " << name_ << endl;
    }

    string getName() const { return name_; }
};

int Tracker::counter_ = 0;

Tracker createTracker(const string& name) {
    Tracker t(name);
    return t;  // 可能触发NRVO或移动
}

void passByValue(Tracker t) {
    cout << "  函数内: " << t.getName() << endl;
}

int main() {
    cout << "=== 1. 直接构造 ===" << endl;
    Tracker a("Alpha");

    cout << "\n=== 2. 拷贝构造 ===" << endl;
    Tracker b = a;

    cout << "\n=== 3. 移动构造 ===" << endl;
    Tracker c = std::move(a);

    cout << "\n=== 4. 函数返回值(NRVO) ===" << endl;
    Tracker d = createTracker("Delta");

    cout << "\n=== 5. 值传递参数 ===" << endl;
    passByValue(b);

    cout << "\n=== 6. vector扩容 ===" << endl;
    vector<Tracker> vec;
    vec.reserve(1);  // 只预留1个
    vec.emplace_back("Vec1");
    cout << "-- push第2个(触发扩容) --" << endl;
    vec.emplace_back("Vec2");  // 扩容时移动/拷贝已有元素

    cout << "\n=== 7. 全部析构 ===" << endl;
    return 0;
}

练习重点：理解构造/拷贝/移动/析构的触发时机，观察NRVO（命名返回值优化）、值传递的拷贝开销、vector扩容时的元素迁移。

---

训练题3：构建器模式（Builder Pattern）实践

要求：使用this指针返回引用实现链式调用的构建器模式。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Pizza {
    string dough_;
    string sauce_;
    string topping_;
    int size_;

    // 私有构造，只能通过Builder创建
    Pizza() : size_(9) {}
    friend class PizzaBuilder;

public:
    void show() const {
        cout << size_ << "寸披萨: "
             << dough_ << " + " << sauce_ << " + " << topping_ << endl;
    }
};

class PizzaBuilder {
    Pizza pizza_;

public:
    PizzaBuilder& setDough(const string& d) {
        pizza_.dough_ = d;
        return *this;
    }

    PizzaBuilder& setSauce(const string& s) {
        pizza_.sauce_ = s;
        return *this;
    }

    PizzaBuilder& setTopping(const string& t) {
        pizza_.topping_ = t;
        return *this;
    }

    PizzaBuilder& setSize(int s) {
        if (s >= 6 && s <= 18) pizza_.size_ = s;
        return *this;
    }

    Pizza build() {
        // 校验必填项
        if (pizza_.dough_.empty()) pizza_.dough_ = "经典饼底";
        if (pizza_.sauce_.empty()) pizza_.sauce_ = "番茄酱";
        if (pizza_.topping_.empty()) pizza_.topping_ = "芝士";
        return pizza_;
    }
};

int main() {
    // 链式调用构建
    Pizza p1 = PizzaBuilder()
        .setDough("薄饼底")
        .setSauce("奶油酱")
        .setTopping("培根+蘑菇")
        .setSize(12)
        .build();
    p1.show();

    // 使用默认值
    Pizza p2 = PizzaBuilder().setSize(9).build();
    p2.show();

    return 0;
}

练习重点：this指针返回*this实现链式调用、友元类访问私有构造函数、构建器模式的对象创建方式。

9.12 综合思考题

1. C++对象模型与C结构体的差异：C++的class在底层和C的struct几乎相同（只有非静态数据成员存储在对象中）。那么成员函数存储在哪里？编译器是如何将obj.func()翻译为普通函数调用的？virtual函数又如何改变了这一机制？

2. 拷贝消除（Copy Elision）与RVO：C++17标准强制要求在某些场景下进行拷贝消除（如返回纯右值时）。这意味着拷贝/移动构造函数甚至不会被调用。请思考：如果你的类的拷贝构造函数有重要的副作用（如日志打印），拷贝消除会导致什么问题？这对类的设计有什么启示？

3. Rule of Zero / Three / Five：C++中管理资源的类应遵循"三法则"（析构、拷贝构造、拷贝赋值）或"五法则"（加上移动构造、移动赋值）。但现代C++更推崇"零法则"——用智能指针和标准容器管理资源，让编译器自动生成的特殊函数就够用。请对比这三种规则的适用场景。

4. EBO（Empty Base Optimization）：空类作为基类时，编译器可以优化掉它的1字节占位空间。这就是标准库中很多"策略类"（如分配器、比较器）用继承而非成员来持有的原因。请查阅std::unique_ptr的实现，看看它是如何利用EBO让自定义删除器不增加额外大小的。

9.13 新手陷阱 Top 5

#	陷阱	说明
1	自定义析构没写拷贝构造	浅拷贝导致 double-free（违反三法则）
2	移动构造没标 noexcept	vector::push_back 扩容时退化为拷贝
3	在构造函数里调用虚函数	调到的是基类版本，不是子类
4	析构函数抛异常	程序直接 std::terminate；析构默认 noexcept
5	「类内初始化 + 构造列表」混用	优先级看版本与场景；保持一种风格