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C++ 类成员

在C++面向对象编程中，类是创建对象的蓝图或模板。类成员是构成类的基本元素，它们定义了类的数据和行为。理解类成员对于掌握C++面向对象编程至关重要。

类成员的基本概念​

类成员主要分为两种类型：

  1. 数据成员：存储类对象的状态信息（变量）
  2. 成员函数：定义类对象可以执行的操作（方法）

让我们通过一个简单的例子来理解类成员：

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

// 定义一个学生类
class Student {
private:
    // 数据成员
    string name;
    int age;
    double grade;
    
public:
    // 成员函数
    void setInfo(string n, int a, double g) {
        name = n;
        age = a;
        grade = g;
    }
    
    void displayInfo() {
        cout << "姓名: " << name << endl;
        cout << "年龄: " << age << endl;
        cout << "成绩: " << grade << endl;
    }
};

int main() {
    Student s1;
    s1.setInfo("张三", 18, 92.5);
    s1.displayInfo();
    return 0;
}

输出结果：

姓名: 张三
年龄: 18
成绩: 92.5

在上面的例子中，Student类包含：

  • 数据成员：name、age和grade
  • 成员函数：setInfo()和displayInfo()

访问控制与访问修饰符​

C++提供了三种访问修饰符来控制类成员的可访问性：

  1. public：可以被类外的任何函数访问
  2. private：只能被类内的成员函数访问
  3. protected：只能被类内的成员函数和派生类的成员函数访问
备注

如果没有指定访问修饰符，类的成员默认为private。

cpp
class Box {
public:
    double getVolume() {
        return length * width * height;
    }
    
    void setDimensions(double l, double w, double h) {
        length = l;
        width = w;
        height = h;
    }
    
private:
    double length;
    double width;
    double height;
};

成员函数详解​

在类内定义成员函数​

如上面的例子所示，我们可以直接在类定义内部实现成员函数。

在类外定义成员函数​

我们也可以在类外定义成员函数，这样可以使类的定义更加简洁：

cpp
class Circle {
private:
    double radius;
    
public:
    void setRadius(double r);
    double getArea();
};

// 在类外定义成员函数
void Circle::setRadius(double r) {
    radius = r;
}

double Circle::getArea() {
    return 3.14159 * radius * radius;
}
提示

在类外定义成员函数时，需要使用作用域解析运算符(::）来指明该函数属于哪个类。

构造函数和析构函数​

构造函数​

构造函数是一种特殊的成员函数，在创建类的新对象时自动调用。构造函数与类同名且没有返回类型。

cpp
class Rectangle {
private:
    double width;
    double height;
    
public:
    // 默认构造函数
    Rectangle() {
        width = 0.0;
        height = 0.0;
    }
    
    // 带参数的构造函数
    Rectangle(double w, double h) {
        width = w;
        height = h;
    }
    
    double getArea() {
        return width * height;
    }
};

int main() {
    Rectangle rect1;              // 使用默认构造函数
    Rectangle rect2(5.0, 3.0);    // 使用带参数的构造函数
    
    cout << "矩形1的面积: " << rect1.getArea() << endl;
    cout << "矩形2的面积: " << rect2.getArea() << endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

矩形1的面积: 0
矩形2的面积: 15

析构函数​

析构函数是另一种特殊的成员函数，在对象被销毁时自动调用。析构函数与类同名，但前面有一个波浪号(~)，且没有返回类型和参数。

cpp
class DynamicArray {
private:
    int* data;
    int size;
    
public:
    // 构造函数
    DynamicArray(int sz) {
        size = sz;
        data = new int[size]; // 动态分配内存
        cout << "构造函数: 分配了内存" << endl;
    }
    
    // 析构函数
    ~DynamicArray() {
        delete[] data; // 释放内存
        cout << "析构函数: 释放了内存" << endl;
    }
    
    void setValue(int index, int value) {
        if(index >= 0 && index < size)
            data[index] = value;
    }
    
    int getValue(int index) {
        if(index >= 0 && index < size)
            return data[index];
        return -1;
    }
};

void testDynamicArray() {
    DynamicArray arr(5);
    arr.setValue(0, 10);
    cout << "arr[0] = " << arr.getValue(0) << endl;
    // 函数结束时，arr会被销毁，析构函数会被调用
}

int main() {
    testDynamicArray();
    cout << "函数已返回" << endl;
    return 0;
}

输出结果：

构造函数: 分配了内存
arr[0] = 10
析构函数: 释放了内存
函数已返回

静态类成员​

静态数据成员​

静态数据成员是属于类而不是对象的变量。无论创建多少个对象，静态数据成员只有一个副本。

静态成员函数​

静态成员函数是不依赖于任何对象的函数。它们不能访问非静态数据成员，只能调用其他静态成员函数。

cpp
class Account {
private:
    static double interestRate; // 静态数据成员声明
    double balance;
    
public:
    Account(double b) : balance(b) {}
    
    // 静态成员函数
    static void setInterestRate(double rate) {
        interestRate = rate;
    }
    
    static double getInterestRate() {
        return interestRate;
    }
    
    double calculateInterest() {
        return balance * interestRate;
    }
};

// 静态数据成员定义和初始化
double Account::interestRate = 0.05;

int main() {
    Account::setInterestRate(0.06); // 可以通过类名访问静态成员函数
    
    Account acc1(1000.0);
    Account acc2(2000.0);
    
    cout << "利率: " << Account::getInterestRate() << endl;
    cout << "账户1利息: " << acc1.calculateInterest() << endl;
    cout << "账户2利息: " << acc2.calculateInterest() << endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

利率: 0.06
账户1利息: 60
账户2利息: 120
警告

静态数据成员需要在类外进行定义和初始化（除了const整型静态数据成员外）。

const成员函数​

const成员函数是不会修改对象状态的函数。在函数声明中，const关键字放在函数参数列表之后。

cpp
class Temperature {
private:
    double celsius;
    
public:
    Temperature(double c) : celsius(c) {}
    
    // const成员函数
    double getCelsius() const {
        return celsius;
    }
    
    double getFahrenheit() const {
        return celsius * 9.0/5.0 + 32.0;
    }
    
    void setCelsius(double c) {
        celsius = c;
    }
};

int main() {
    const Temperature temp(25.0); // 常量对象
    
    cout << "摄氏温度: " << temp.getCelsius() << "°C" << endl;
    cout << "华氏温度: " << temp.getFahrenheit() << "°F" << endl;
    
    // temp.setCelsius(30.0); // 错误：不能通过常量对象调用非const成员函数
    
    return 0;
}

输出结果：

摄氏温度: 25°C
华氏温度: 77°F
备注

常量对象只能调用const成员函数。

类成员的真实应用场景​

让我们看一个更复杂的例子，展示类成员在实际应用中的使用：

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

class Book {
private:
    string title;
    string author;
    string isbn;
    double price;
    int quantity;
    
public:
    // 构造函数
    Book(string t, string a, string i, double p, int q)
        : title(t), author(a), isbn(i), price(p), quantity(q) {}
    
    // 成员函数
    string getTitle() const { return title; }
    string getAuthor() const { return author; }
    string getISBN() const { return isbn; }
    double getPrice() const { return price; }
    int getQuantity() const { return quantity; }
    
    void setPrice(double p) { price = p; }
    
    void addStock(int q) {
        if (q > 0) quantity += q;
    }
    
    bool sellCopies(int q) {
        if (q <= quantity) {
            quantity -= q;
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    double getTotalValue() const {
        return price * quantity;
    }
    
    void display() const {
        cout << "书名: " << title << endl;
        cout << "作者: " << author << endl;
        cout << "ISBN: " << isbn << endl;
        cout << "单价: " << price << endl;
        cout << "库存: " << quantity << endl;
        cout << "库存总值: " << getTotalValue() << endl;
    }
};

class Bookstore {
private:
    string name;
    vector<Book> inventory;
    static int totalBooksSold;  // 静态成员跟踪所有书店销售的总图书数
    
public:
    Bookstore(string n) : name(n) {}
    
    void addBook(const Book& book) {
        inventory.push_back(book);
    }
    
    bool sellBook(string isbn, int quantity) {
        for (size_t i = 0; i < inventory.size(); i++) {
            if (inventory[i].getISBN() == isbn) {
                if (inventory[i].sellCopies(quantity)) {
                    totalBooksSold += quantity;
                    return true;
                }
                return false;
            }
        }
        return false;
    }
    
    void displayInventory() const {
        cout << "=== " << name << " 库存 ===" << endl;
        for (size_t i = 0; i < inventory.size(); i++) {
            inventory[i].display();
            cout << "-------------------" << endl;
        }
    }
    
    static int getTotalBooksSold() {
        return totalBooksSold;
    }
};

int Bookstore::totalBooksSold = 0;

int main() {
    // 创建一家书店
    Bookstore myBookstore("学林书店");
    
    // 添加图书到库存
    Book book1("C++ Primer", "Stanley Lippman", "978-0321714114", 45.99, 10);
    Book book2("Effective Modern C++", "Scott Meyers", "978-1491903995", 39.99, 5);
    
    myBookstore.addBook(book1);
    myBookstore.addBook(book2);
    
    // 显示初始库存
    myBookstore.displayInventory();
    
    // 销售图书
    cout << "\n销售3本C++ Primer..." << endl;
    if (myBookstore.sellBook("978-0321714114", 3)) {
        cout << "销售成功!" << endl;
    } else {
        cout << "销售失败，库存不足!" << endl;
    }
    
    // 显示更新后的库存
    cout << "\n更新后的库存:" << endl;
    myBookstore.displayInventory();
    
    // 显示销售统计
    cout << "\n总销售图书数: " << Bookstore::getTotalBooksSold() << endl;
    
    return 0;
}

这个例子展示了一个简单的书店管理系统，其中：

  1. Book类包含书籍的属性和操作
  2. Bookstore类管理书籍库存
  3. 使用静态成员跟踪所有书店的销售总量
  4. 演示了const成员函数的使用

总结​

类成员是C++面向对象编程的核心概念。在本文中，我们学习了：

  1. 数据成员和成员函数的基本概念
  2. 访问控制和访问修饰符（public、private、protected）
  3. 在类内和类外定义成员函数
  4. 构造函数和析构函数
  5. 静态成员（数据和函数）
  6. const成员函数
  7. 类成员在实际应用中的使用

正确理解和使用类成员是编写高质量、可维护C++代码的基础。随着你对C++编程的深入学习，你会发现更多使用类成员的高级技巧。

练习​

  1. 创建一个Point类，表示2D平面上的点：

    • 添加私有数据成员x和y
    • 提供构造函数、getter和setter方法
    • 添加计算到另一个点距离的方法

  2. 扩展Circle类：

    • 添加中心点（使用Point类）和半径
    • 提供计算周长和面积的方法
    • 添加一个方法判断一个点是否在圆内

  3. 创建一个Counter类：

    • 使用静态成员记录创建了多少个Counter对象
    • 为每个对象提供一个唯一ID
    • 添加一个静态方法返回创建的对象总数

通过这些练习，你将能够更好地理解和应用C++中的类成员概念。