04-c++类和对象（下）

一、友元

前面学习的类中，只能通过该类的公共方法访问私有数据。而如果将某个函数设置为类的友元，那么这个函数就可以直接访问该类的私有数据，破坏了类的封装性，只在某些特定的情况下使用。

友元的分类：普通全局函数作为友元、类的某个成员函数作为友元、整个类作为友元。关键字：friend。

1.全局函数作为类的友元

• 代码演示

class Object
{friend void useObject(Object &ob);
private:char cup[32];
public:char pen[32];Object(){}Object(char *cup, char *pen){strcpy(this->cup, cup);strcpy(this->pen, pen);}
};// 定义一个全局函数
void useObject(Object &ob)
{cout << "小明正在使用" << ob.pen << endl;cout << "小明正在使用" << ob.cup << endl;
}void test27()
{Object xh_obj("小红的水杯", "小红的钢笔");useObject(xh_obj);
}

• 运行结果

小明正在使用小红的钢笔
小明正在使用小红的水杯

• 说明：未设置友元的时候，全局函数直接访问对象的私有数据会报错，但是设置了友元就可以访问了。将全局函数设置友元，只需要在类的首行加上函数的声明，并在前面加上 friend 关键字即可。

2.类的成员函数作为另外一个类的友元

• 代码演示

// 向前声明Object类
class Object;
// 要将Person类中的成员函数设置为Object的友元，先定义Person类
class Person
{
private:char name[32];
public:Person(){}Person(char *name){strcpy(this->name, name);}void useCup(Object &obj);void usePen(Object &obj);
};class Object
{friend void Person::useCup(Object &obj);
private:char cup[32];
public:char pen[32];Object(){}Object(char *cup, char *pen){strcpy(this->cup, cup);strcpy(this->pen, pen);}
};// 将Person的函数在两个类的下方首先，否则没法识别到Object的数据
void Person::useCup(Object &obj) {cout << name << "正在使用" << obj.cup << endl;
}void Person::usePen(Object &obj) {cout << name << "正在使用" << obj.pen << endl;
}void test27()
{Object xh_obj("小红的水杯", "小红的钢笔");Person xm("小明");xm.usePen(xh_obj);xm.useCup(xh_obj);
}

• 运行结果

小明正在使用小红的钢笔
小明正在使用小红的水杯

• 说明：假设将 A 类中的成员函数设置为 B 类的友元，其步骤如下：

1. 先定义 A 类，并且 A 类的成员函数在类外（A 和 B 类的下方）实现；
2. 向前声明 B 类，在 A 类前面声明 B 类；
3. 在 B 类中使用 friend 声明 A 的成员函数为友元。

3.一个类作为另外一个类的友元

• 代码演示

// 其它代码和上面类的成员函数作为另外一个类的友元一样
// 只是不是将单个函数作为友元，而是整个类，只修改一句代码
// 将class Object中的
friend void Person::useCup(Object &obj); // 改为
friend Person;
// 这样，如果Person类中有多个成员函数需要设置为Object的友元
// 不需要一个个函数去 friend ，只需要把整个类 friend 就行

• 总结
  1. 友元关系不能被继承，继承后面学。即：类A 是父类，类B 是 类A 的朋友，类C 是 类A 的子类，但 类B 不一定是 类C 的朋友；
  2. 友元关系是单向的。即：类 A 是类 B 的朋 友，但类 B 不一定是类 A 的朋友；
  3. 友元关系不具有传递性。即：类 B 是类 A 的朋 友，类 C 是类 B 的朋友，但类 C 不一定是类 A 的朋友。

二、数组类

数组类，本质上是一个类，可以通过这个类创建一个个数组对象，实现数组的部分功能。

• 代码演示

class Array
{
private:// 数组的实际元素个数（数组大小）int size;// 数组可容纳的元素个数（数组容量）int capacity;// 数组首元素地址int *array;
public://  构造函数Array();Array(int capacity);Array(const Array &obj);// 析构函数~Array();// 数组的功能函数// 返回数组大小和数组容量int getSize();int getCapacity();// 尾部插入数据void pushBack(int num);// 删除尾部数据void popBack();// 遍历数组void printArray();
};Array::Array() {size = 0;// 将容量默认初始化为5capacity = 5;// 为数组申请堆区空间array = new int[capacity];
}Array::Array(int capacity) {size = 0;this->capacity = capacity;// 为数组申请堆区空间array = new int[capacity];
}Array::Array(const Array &obj) {size = obj.size;capacity = obj.capacity;// 为数组申请堆区空间array = new int[capacity];// 将旧对象的数据通过内存拷贝拷贝给新对象memcpy(array, obj.array, sizeof(int) * capacity);
}Array::~Array() {// 释放前先判断数组是否为空if(array != NULL){// 注意释放的是数组，加 []delete [] array;array = NULL;}
}int Array::getSize() {return size;
}int Array::getCapacity() {return capacity;
}void Array::pushBack(int num) {// 插入前先判断数组是否已满if (size == capacity){// 如果满了就为数组增加一倍的空间int *tempArray = new int[capacity * 2];// 将以前的数组数据拷贝给新开辟的数组空间memcpy(tempArray, array, sizeof(int) * capacity);capacity = capacity * 2;// 释放以前的数组delete [] array;// 指向新开辟的空间array = tempArray;}// 末尾插入数据array[size] = num;size++;
}void Array::popBack() {// 先判断数组是否为空if (NULL == array){cout << "数组为空" << endl;return;}size--;
}void Array::printArray() {int i = 0;for (i = 0; i < size; i++){cout << array[i] << " ";}cout << endl;
}void test28()
{// 创建一个数组对象Array array1;// 给数组添加5个元素array1.pushBack(11);array1.pushBack(22);array1.pushBack(33);array1.pushBack(44);array1.pushBack(55);// 打印数组大小容量cout << "size = " << array1.getSize() << " capacity = " << array1.getCapacity() << endl;// 遍历数组array1.printArray();// 添加一个元素，打印大小和容量array1.pushBack(66);cout << "size = " << array1.getSize() << " capacity = " << array1.getCapacity() << endl;array1.printArray();// 删除一个，打印信息array1.popBack();cout << "size = " << array1.getSize() << " capacity = " << array1.getCapacity() << endl;array1.printArray();
}

• 运行结果

size = 5 capacity = 5 
11 22 33 44 55        
size = 6 capacity = 10
11 22 33 44 55 66     
size = 5 capacity = 10
11 22 33 44 55 

• 注意：
  1. 数组类中包含数组的必要数据：数组的的大小，即实际的元素个数，数组的容量，数组首元素的地址；
  2. 数组初始化，除了初始化容量以外，还得申请相应大小的堆区空间；
  3. 插入数据的时候，如果数组的大小和容量相等，代表数组已满，要插入需要先追加空间。但追加空间不是在原空间后面追加，而是新申请内存（为原来的内存加新申请的空间的大小总和），然后再将原来空间的数据，拷贝到新空间。不在后面直接追加的原因是，不确定原空间后面的空间是否存储了其它数据，后面添加可能占用非法内存。

三、运算符重载

运算符重载：就是对已有的运算符重新进行定义，赋予其另一种功能，以适应不同的数据类型的运算需求。

关键字：operator 比如重载 + 运算符，其函数名 operator+。

一元运算符：运算符需要的运算对象是一个，如i++ --i等；二元运算符：运算符需要的运算对象是两个，如+ - *等。

1.重载运算符的步骤

1. 首先必须明确：运算符左边的运算符对象是自定义对象还是其他；
2. 如果左边是其他，必须使用全局函数完成运算符重载，且全局函数必须是友元；
3. 如果左边是自定义对象，可以使用成员函数或全局函数完成运算符重载，推荐用成员函数实现。如果使用成员函数，可以少一个参数，如果使用全局函数，不可以少参数，且必须把全局函数设置友元。

先大致了解重载运算符的步骤及注意事项，结合下面的案例具体学习。

2.运算符重载应用

2.1全局函数重载 << 运算符

• 代码演示

// 定义一个 Person 类
class Person
{friend void operator<<(ostream &out, Person &obj);
private:int num;// string 需要包含 <string> 头文件string name;float score;
public:Person(){num = 000;name = "admin";score = 0.0f;}Person(int num, string name, float score){this->num = num;// string 中重载了 = 运算符，因此这里可以直接赋值this->name = name;this->score = score;}void showPerson(){cout << "num = " << num << " name = " << name << " score = " << score << endl;}
};// 重载 << 运算符
void operator<<(ostream &out, Person &obj)
{out << "num = " << obj.num << " name = " << obj.name << " score = " << obj.score << endl;
}void test29()
{// 创建一个对象并初始化Person xm(101, "小明", 88.5);xm.showPerson();// 之前我们想要查看对象信息，需要通过公共方法来访问// 现在可以通过 cout << 对象 直接访问cout << xm;Person xh(102, "小红", 85.0);cout << xh;
}

• 运行结果

num = 101 name = 小明 score = 88.5
num = 101 name = 小明 score = 88.5
num = 102 name = 小红 score = 85

• 说明：

  1. 上面重载了 << 运算符，首先 << 左边是一个非自定义对象，因此需要通过全局函数完成运算符重载；
  2. 因为这里是需要通过重载函数操作对象数据的，因此需要将重载函数设置为类的友元；
  3. 这里重载 << 运算符只是针对当前类创建的对象有效；
  4. operator<<为重载函数名，<< 左边的作为函数的第一个参数，右边的作为函数的第二个参数；
  5. cout << xm是编译器优化后的函数调用方式，其本质是operator<<(cout, xm)。

• 还可以完成链式操作，连续输出多个对象：

// 还是上面案例的代码
// 修改函数
ostream& operator<<(ostream &out, Person &obj)
{out << "num = " << obj.num << " name = " << obj.name << " score = " << obj.score << endl;return out;
}
// 函数修改了，记得修改类的友元
friend ostream&  operator<<(ostream &out, Person &obj);
// 在 test29 函数中添加
cout << xh << xm;

• 运行结果

num = 102 name = 小红 score = 85  
num = 101 name = 小明 score = 88.5

• 说明：
  1. 上面的链式操作可以一次输出多个对象的信息；
  2. 原理是将 out 返回，即 cout 的引用，那么上一次函数运算的结果 cout 继续作为 << 的左值，完成连续输出，实现链式操作。

2.2全局函数重载 >> 运算符

这里要实现通过cin >> 对象给对象成员赋值

• 代码演示

// 还是上面的类
// 重载 >> 运算符
istream &operator>>(istream &in, Person &obj) {in >> obj.num >> obj.name >> obj.score;return in;
}
// 将全局函数设置为类的友元
friend istream &operator>>(istream &in, Person &obj);// 调用函数运行
void test30() {Person jack;cin >> jack;cout << jack;
}

• 运行结果

101 jack 88
num = 101 name = jack score = 88

• 和上面重载 >> 运算符原理类似，不做过多解释。

2.3全局函数重载 + 运算符

这里要实现两个对象的加法，即：对象1 + 对象2。

• 代码演示

// 还是使用上面的 Person 类
// 重载 + 运算符
Person operator+(Person obj1, Person obj2)
{// 定义一个临时对象用于存放运算结果Person temp;temp.num = obj1.num + obj2.num;temp.name = obj1.name + obj2.name;temp.score = obj1.score + obj2.score;return temp;
}
// 添加友元
friend Person operator+(Person obj1, Person obj2);
// 将之前的重载 << 函数的第二个参数引用传递改为值传递
ostream &operator<<(ostream &out, Person obj) // 同样友元也记得该// 调用函数执行    
void test31()
{Person jack(101, "jack", 88.5);Person rose(102, "rose", 77.5);cout << jack + rose;
}    

• 运行结果

num = 203 name = jackrose score = 166

• 说明：
  1. Person operator+(Person obj1, Person obj2)的返回值不能为引用，因为函数运行结束，临时变量 temp 就释放了，如果返回引用的话，后面 cout 输出会访问非法内存，因此，重载 << 运算符的第二个参数也改为值传递了，这样才能类型匹配；
  2. 如果返回值为非引用，那么它返回的就是具体的值，那么重载 + 运算符的第一个参数也要非引用，因为如果进行链式操作，那么会将上一次 + 运算的结果作为下一次 + 运算的左值，但上一次运算结果是具体值，不能对值取引用，因此第一个参数不能直接引用传递；
  3. 如果第一个参数一定要引用传递的话，那么要加 const 修饰为常引用，才能对值取引用。

2.4成员函数重载 + 运算符

上面的案例， + 的左值为自定义对象，因此可以通过成员函数实现运算符重载。

• 代码演示

// 还是上面的 Person 类，只是在类中添加如下成员函数
// 成员函数重载 + 运算符Person operator+(Person obj){Person temp;temp.num = num + obj.num;temp.name = name +obj.name;temp.score = score + obj.score;return temp;}
// 调用函数执行
void test32()
{Person jack(101, "jack", 88.5);Person rose(102, "rose", 77.5);Person bob(102, "bob", 66.5);cout << jack + rose + bob;
}

• 运行结果

num = 305 name = jackrosebob score = 232.5

• 说明：成员函数实现重载，函数调用本质上是：jack.operator+(rose)，只是被编译器简化为了jack + rose，因此只需要传一个参数，因为对象调用函数，函数内部会自动生成保存调用该函数的对象的 this 指针，因此函数内部可以直接使用调用该函数的对象的成员数据，可以少传一个参数。

2.5成员函数重载 == 运算符

直接通过 == 比较两个对象是否相等，即实现 对象1 == 对象2的判断。

• 代码演示

// 还是上面的 Person 类，只是在类中添加如下成员函数
// 成员函数重载 == 运算符bool operator==(Person &obj){if ((num == obj.num) && (name == obj.name) && (score == obj.score))return true;return false;}
// 调用函数执行
void test33()
{Person jack(101, "jack", 88.5);Person rose(102, "rose", 77.5);Person jack2(101, "jack", 88.5);if (jack == jack2){cout << "相等" << endl;}else{cout << "不相等" << endl;}
}

• 运行结果

相等

2.6重载 ++ – 运算符

++ 和 – 原理相同，这里就以重载 ++ 运算符为例。

重载 ++ 运算符，有两种情况， ++ 在前和在后，但是其函数名都是 operator++ ，而且该运算符的操作数只有一个，该怎样区分两种不同的情况呢，这里就用到了函数的重载，为区分两个函数，还用到了占位参数。

• 因此分为两种情况， ++ 前置和 ++ 后置：
  1. 当编译器看到 ++a(前置++)时，它就调用 operator++(a), 先++ 后使用；
  2. 当编译器看到 a++(后置++)时，它就调用 operator++(a, int)，先使用后++。

2.6.1重载前置 ++

• 代码演示

// 还是上面的 Person 类，只是在类中添加如下成员函数
// 成员函数重载前置 ++Person& operator++() {num++;name = name + name;score++;return *this;}
// 调用函数执行
void test34() {Person jack(101, "jack", 88.5);Person bob;bob = ++jack;cout << jack;cout << bob;
}

• 运行结果

num = 102 name = jackjack score = 89.5
num = 102 name = jackjack score = 89.5

• 说明：重载前置 ++ 的时候，函数没有占位参数。

2.6.2重载后置 ++

• 代码演示

// 还是上面的 Person 类，只是在类中添加如下成员函数
// 成员函数重载后置 ++Person operator++(int) {Person old_obj = *this;num++;name = name + name;score++;return old_obj;}
// 调用函数执行
void test35() {Person jack(101, "jack", 88.5);Person bob;bob = jack++;cout << jack;cout << bob;
}

• 运行结果

num = 102 name = jackjack score = 89.5
num = 101 name = jack score = 88.5

• 说明：
  1. 重载后置 ++ 的时候，函数有占位参数；
  2. 函数的返回值不能是引用，因为返回的是一个临时局部变量，保存的对象自增前的值，如果返回引用，变量在函数调用结束后就释放了，操作释放的变量会访问非法内存。

2.7重载 () 运算符

我们在前面调用函数的时候，都会在函数名后面加 () 表示调用函数，因此 () 又叫做函数调用运算符。重载函数调用运算符，实现通过对象加（）完成函数调用。

• 代码演示

class Print {
public:Print &operator()(char *str){cout << str;return *this;}
};void test36()
{Print obj1;obj1("hello");cout << endl;Print print;print("hello ")("world ")("hello ")("friend");cout << endl;Print()("hello ")("world ")("hello ")("friend");cout << endl;
}

• 运行结果

hello                   
hello world hello friend
hello world hello friend

• 说明：上面定义的类又叫仿函数。