第5章
本章导学
问题与解决
- 问题1：变量和对象可以定义在不同的位置：函数体内、类体内、函数原型参数表内、所有函数和类之外，使用的时候分别有什么不同、访问和共享有什么限制呢？
- 不同位置定义的变量和对象，其作用域、可见性、生存期都不同。如果要在不同的程序模块间共享数据，就需要了解变量和对象的作用域、可见性、生存期。
- 作用域是指……；可见性是……；生存期是……。
- 问题2：如何在同一个类的所有对象之间共享数据？比如需要记录一个类的对象总数。
- 定义属于整个类而不是对象的数据成员——静态数据成员
- 定义用于处理静态数据成员的函数——静态成员函数
- 问题3：类的私有成员在类外不能直接访问，这是为了保护数据的安全性和隐藏细节。但是需要频繁访问私有数据时，调用接口函数的开销比较大。
- 对一些类外的函数、其他的类，给预授权，使之可以访问类的私有成员
- 提高了效率，但是带来一些安全隐患，需要权衡、慎用
- 问题4：共享数据的安全性如何保证
- 通过const关键字，限制对共享数据的修改，使共享的数据在被共享时，是只读的。
- 在编译之前，需要进行预处理，例如包含头文件，选择在不同情况下编译程序的不同部分
- 编译预处理
- 问题5：当程序的规模略大些的时候，就不能将所有代码放在一个文件里了
- 多文件结构
学习建议
- 完成练习题和编程作业
- 编写程序（或者修改例题）观察和验证变量的作用域、可见性、生存期
- 除了完成作业，希望
- 能自己举出一些需要定义静态成员的例子，并编写程序实现
- 找出以前的例题、习题，看看可否改写，将一些类的成员函数改为常函数；将一些函数的参数定义为常引用。
- 尝试在程序中使用编译预处理命令，并观察效果。
目录
5.1 标识符的作用域与可见性
5.2 对象的生存期
5.3 类的静态成员
5.4 类的友元
5.5 共享数据的保护
5.6 多文件结构和编译预处理命令
小结
标识符的作用域与可见性
- 作用域是一个标识符在程序正文中有效的区域。
- 作用域分类
- 函数原型作用域
- 局部作用域(块作用域)
- 类作用域
- 文件作用域
- 命名空间作用域（详见第10章）
函数原形作用域
- 函数原型中的参数，其作用域始于"("，结束于")"。
- 函数原形作用域举例
double area(double radius);
局部作用域
- 函数的形参、在块中声明的标识符；
- 其作用域自声明处起，限于块中。
- 局部作用域举例
void fun(int a) {
int b = a;
cin >> b;
if (b > 0) {
int c;
......
}
}
类作用域
- 类的成员具有类作用域，其范围包括类体和非内联成员函数的函数体。
- 如果在类作用域以外访问类的成员，要通过类名（访问静态成员），或者该类的对象名、对象引用、对象指针（访问非静态成员）。
- 文件作用域
- 不在前述各个作用域中出现的声明，就具有文件作用域，这样声明的标识符其作用域开始于声明点，结束于文件尾。
可见性
- 可见性是从对标识符的引用的角度来谈的概念
- 可见性表示从内层作用域向外层作用域“看”时能看见什么。
- 如果标识在某处可见，就可以在该处引用此标识符。
- 如果某个标识符在外层中声明，且在内层中没有同一标识符的声明，则该标识符在内层可见。
- 对于两个嵌套的作用域，如果在内层作用域内声明了与外层作用域中同名的标识符，则外层作用域的标识符在内层不可见。
例5-1
//5_1.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int i; //全局变量，文件作用域
int main() {
i = 5; //为全局变量i赋值
{
int i; //局部变量，局部作用域
i = 7;
cout << "i = " << i << endl;//输出7
}
cout << “i = ” << i << endl;//输出5
return 0;
}
对象的生存期
静态生存期
- 这种生存期与程序的运行期相同。
- 在文件作用域中声明的对象具有这种生存期。
- 在函数内部声明静态生存期对象，要冠以关键字static 。
动态生存期
- 块作用域中声明的，没有用static修饰的对象是动态生存期的对象（习惯称局部生存期对象）。
- 开始于程序执行到声明点时，结束于命名该标识符的作用域结束处。
例5-2 变量的生存期与可见性
#include<iostream>
using namespace std;
int i = 1; // i 为全局变量，具有静态生存期。
void other() {
static int a = 2;
static int b;
// a,b为静态局部变量，具有全局寿命，局部可见。
//只第一次进入函数时被初始化。
int c = 10; // C为局部变量，具有动态生存期，
//每次进入函数时都初始化。
a += 2; i += 32; c += 5;
cout<<"---OTHER--- ";
cout<<" i: "<<i<<" a: "<<a<<" b: "<<b<<" c: "<<c<<endl;
b = a;
}
int main() {
static int a;//静态局部变量，有全局寿命，局部可见。
int b = -10; // b, c为局部变量，具有动态生存期。
int c = 0;
cout << "---MAIN--- ";
cout<<" i: "<<i<<" a: "<<a<<" b: "<<b<<" c: "<<c<<endl;
c += 8; other();
cout<<"---MAIN--- ";
cout<<" i: "<<i<<" a: "<<a<<" b: "<<b<<" c: "<<c<<endl;
i += 10; other();
return 0;
}
例5-2（续）
运行结果：
---MAIN---
i: 1 a: 0 b: -10 c: 0
---OTHER---
i: 33 a: 4 b: 0 c: 15
---MAIN---
i: 33 a: 0 b: -10 c: 8
---OTHER---
i: 75 a: 6 b: 4 c: 15
类的静态数据成员
静态数据成员
- 静态数据成员
- 用关键字static声明
- 为该类的所有对象共享，静态数据成员具有静态生存期。
- 必须在类外定义和初始化，用(::)来指明所属的类。
例5-4 具有静态数据成员的Point类
//5_4.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class Point { //Point类定义
public: //外部接口
Point(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) { //构造函数
//在构造函数中对count累加，所有对象共同维护同一个count
count++;
}
Point(Point &p) { //复制构造函数
x = p.x;
y = p.y;
count++;
}
~Point() { count--; }
int getX() { return x; }
int getY() { return y; }
void showCount() { //输出静态数据成员
cout << " Object count = " << count << endl;
}
private: //私有数据成员
int x, y;
static int count; //静态数据成员声明，用于记录点的个数
};
int Point::count = 0;//静态数据成员定义和初始化，使用类名限定
int main() { //主函数
Point a(4, 5); //定义对象a，其构造函数回使count增1
cout << "Point A: " << a.getX() << ", " << a.getY();
a.showCount(); //输出对象个数
Point b(a); //定义对象b，其构造函数回使count增1
cout << "Point B: " << b.getX() << ", " << b.getY();
b.showCount(); //输出对象个数
return 0;
}
运行结果：
Point A: 4, 5 Object count=1
Point B: 4, 5 Object count=2
类的静态函数成员
- 类外代码可以使用类名和作用域操作符来调用静态成员函数。
- 静态成员函数主要用于处理该类的静态数据成员，可以直接调用静态成员函数。
- 如果访问非静态成员，要通过对象来访问。
例5-5具有静态数据、函数成员的 Point类
#include <iostream>
using namespace std;
class Point {
public:
Point(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) { count++; }//构造函数
Point(Point &p) { //复制构造函数
x = p.x;
y = p.y;
count++;
}
~Point() { count--; }
int getX() { return x; }
int getY() { return y; }
static void showCount() {
cout << " Object count = " << count << endl;
}
private:
int x, y;
static int count; //静态数据成员声明，用于记录点的个数
};
int Point::count = 0;//静态数据成员定义和初始化，使用类名限定
int main() {
Point a(4, 5); //定义对象a，其构造函数回使count增1
cout << "Point A: " << a.getX() << ", " << a.getY();
Point::showCount(); //输出对象个数
Point b(a); //定义对象b，其构造函数回使count增1
cout << "Point B: " << b.getX() << ", " << b.getY();
Point::showCount(); //输出对象个数
return 0;
}
类的友元
- 友元是C++提供的一种破坏数据封装和数据隐藏的机制。
- 通过将一个模块声明为另一个模块的友元，一个模块能够引用到另一个模块中本是被隐藏的信息。
- 可以使用友元函数和友元类。
- 为了确保数据的完整性，及数据封装与隐藏的原则，建议尽量不使用或少使用友元。
友元函数
- 友元函数是在类声明中由关键字friend修饰说明的非成员函数，在它的函数体中能够通过对象名访问 private 和 protected成员
- 作用：增加灵活性，使程序员可以在封装和快速性方面做合理选择。
- 访问对象中的成员必须通过对象名。
例5-6 使用友元函数计算两点间的距离
#include <iostream>
#include <cmath>
class Point { //Point类声明
public: //外部接口
Point(int x=0, int y=0) : x(x), y(y) { }
int getX() { return x; }
int getY() { return y; }
friend float dist(Point &a, Point &b);
private: //私有数据成员
int x, y;
};
float dist( Point& a, Point& b) {
double x = a.x - b.x;
double y = a.y - b.y;
return static_cast<float>(sqrt(x * x + y * y));
}
int main() {
Point p1(1, 1), p2(4, 5);
cout <<"The distance is: ";
cout << dist(p1, p2) << endl;
return 0;
}
友元类
- 若一个类为另一个类的友元，则此类的所有成员都能访问对方类的私有成员。
- 声明语法：将友元类名在另一个类中使用friend修饰说明。
class A {
friend class B;
public:
void display() {
cout << x << endl;
}
private:
int x;
};
class B {
public:
void set(int i);
void display();
private:
A a;
};
void B::set(int i) {
a.x=i;
}
void B::display() {
a.display();
};
类的友元关系是单向的
如果声明B类是A类的友元，B类的成员函数就可以访问A类的私有和保护数据，但A类的成员函数却不能访问B类的私有、保护数据。
共享数据的保护
- 对于既需要共享、又需要防止改变的数据应该声明为常类型（用const进行修饰）。
- 对于不改变对象状态的成员函数应该声明为常函数。
常类型
- 常对象：必须进行初始化,不能被更新。
- const 类名 对象名
- 常成员
- 用const进行修饰的类成员：常数据成员和常函数成员
- 常引用：被引用的对象不能被更新。
- const 类型说明符 &引用名
- 常数组：数组元素不能被更新(详见第6章)。
- 类型说明符 const 数组名[大小]...
- 常指针：指向常量的指针(详见第6章)。
常对象
- 用const修饰的对象
- 例：
class A
{
public:
A(int i,int j) {x=i; y=j;}
...
private:
int x,y;
};
A const a(3,4); //a是常对象，不能被更新
- 思考：哪些操作有试图改变常对象状态的危险？
常成员
- 用const修饰的对象成员
- 常成员函数
- 使用const关键字说明的函数。
- 常成员函数不更新对象的数据成员。
- 常成员函数说明格式：
类型说明符 函数名（参数表）const;
这里，const是函数类型的一个组成部分，因此在实现部分也要带const关键字。
- const关键字可以被用于参与对重载函数的区分
- 通过常对象只能调用它的常成员函数。
- 常数据成员
- 使用const说明的数据成员。
例5-7 常成员函数举例
#include<iostream>
using namespace std;
class R {
public:
R(int r1, int r2) : r1(r1), r2(r2) { }
void print();
void print() const;
private:
int r1, r2;
};
void R::print() {
cout << r1 << ":" << r2 << endl;
}
void R::print() const {
cout << r1 << ";" << r2 << endl;
}
int main() {
R a(5,4);
a.print(); //调用void print()
const R b(20,52);
b.print(); //调用void print() const
return 0;
}
例5-8 常数据成员举例
#include <iostream>
using namespace std;
class A {
public:
A(int i);
void print();
private:
const int a;
static const int b; //静态常数据成员
};
const int A::b=10;
A::A(int i) : a(i) { }
void A::print() {
cout << a << ":" << b <<endl;
}
int main() {
//建立对象a和b，并以100和0作为初值，分别调用构造函数，
//通过构造函数的初始化列表给对象的常数据成员赋初值
A a1(100), a2(0);
a1.print();
a2.print();
return 0;
}
常引用
- 如果在声明引用时用const修饰，被声明的引用就是常引用。
- 常引用所引用的对象不能被更新。
- 如果用常引用做形参，便不会意外地发生对实参的更改。常引用的声明形式如下：
- const 类型说明符 &引用名;
例5-9 常引用作形参
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
class Point { //Point类定义
public: //外部接口
Point(int x = 0, int y = 0)
: x(x), y(y) { }
int getX() { return x; }
int getY() { return y; }
friend float dist(const Point &p1,const Point &p2);
private: //私有数据成员
int x, y;
};
float dist(const Point &p1, const Point &p2) {
double x = p1.x - p2.x;
double y = p1.y - p2.y;
return static_cast<float>(sqrt(x*x+y*y));
}
int main() { //主函数
const Point myp1(1, 1), myp2(4, 5);
cout << "The distance is: ";
cout << dist(myp1, myp2) << endl;
return 0;
}
多文件结构和编译预处理命令
C++程序的一般组织结构
- 一个工程可以划分为多个源文件：
- 类声明文件（.h文件）
- 类实现文件（.cpp文件）
- 类的使用文件（main()所在的.cpp文件）
- 利用工程来组合各个文件。
例 5-10 多文件的工程
//文件1，类的定义，Point.h
class Point { //类的定义
public: //外部接口
Point(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) { }
Point(const Point &p);
~Point() { count--; }
int getX() const { return x; }
int getY() const { return y; }
static void showCount(); //静态函数成员
private: //私有数据成员
int x, y;
static int count; //静态数据成员
};
//文件2，类的实现，Point.cpp
#include "Point.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int Point::count = 0; //使用类名初始化静态数据成员
Point::Point(const Point &p) : x(p.x), y(p.y) {
count++;
}
void Point::showCount() {
cout << " Object count = " << count << endl;
}
//文件3，主函数，5_10.cpp
#include "Point.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
Point a(4, 5); //定义对象a，其构造函数使count增1
cout <<"Point A: "<<a.getX()<<", "<<a.getY();
Point::showCount(); //输出对象个数
Point b(a); //定义对象b，其构造函数回使count增1
cout <<"Point B: "<<b.getX()<<", "<<b.getY();
Point::showCount(); //输出对象个数
return 0;
}
外部变量
- 如果一个变量除了在定义它的源文件中可以使用外，还能被其它文件使用，那么就称这个变量是外部变量。
- 文件作用域中定义的变量，默认情况下都是外部变量，但在其它文件中如果需要使用这一变量，需要用extern关键字加以声明。
外部函数
- 在所有类之外声明的函数（也就是非成员函数），都是具有文件作用域的。
- 这样的函数都可以在不同的编译单元中被调用，只要在调用之前进行引用性声明（即声明函数原型）即可。也可以在声明函数原型或定义函数时用extern修饰，其效果与不加修饰的默认状态是一样的。
将变量和函数限制在编译单元内
- 使用匿名的命名空间：在匿名命名空间中定义的变量和函数，都不会暴露给其它的编译单元。
namespace { //匿名的命名空间
int n;
void f() {
n++;
}
}
- 这里被“namespace { …… }”括起的区域都属于匿名的命名空间。
标准C++库
- 标准C++类库是一个极为灵活并可扩展的可重用软件模块的集合。标准C++类与组件在逻辑上分为6种类型：
- 输入/输出类
- 容器类与抽象数据类型
- 存储管理类
- 算法
- 错误处理
- 运行环境支持
编译预处理
- #include 包含指令
- 将一个源文件嵌入到当前源文件中该点处。
- #include<文件名>
- 按标准方式搜索，文件位于C++系统目录的include子目录下
- #include"文件名"
- 首先在当前目录中搜索，若没有，再按标准方式搜索。
- #define 宏定义指令
- 定义符号常量，很多情况下已被const定义语句取代。
- 定义带参数宏，已被内联函数取代。
- #undef
- 删除由#define定义的宏，使之不再起作用。
条件编译指令——#if 和 #endif
#if 常量表达式
//当“ 常量表达式”非零时编译
程序正文
#endif
......
条件编译指令——#else
#if 常量表达式
//当“ 常量表达式”非零时编译
程序正文1
#else
//当“ 常量表达式”为零时编译
程序正文2
#endif
条件编译指令——#elif
#if 常量表达式1
程序正文1 //当“ 常量表达式1”非零时编译
#elif 常量表达式2
程序正文2 //当“ 常量表达式2”非零时编译
#else
程序正文3 //其他情况下编译
#endif
条件编译指令
#ifdef 标识符
程序段1
#else
程序段2
#endif
- 如果“标识符”经#defined定义过，且未经undef删除，则编译程序段1；
- 否则编译程序段2。
#ifndef 标识符
程序段1
#else
程序段2
#endif
- 如果“标识符”未被定义过，则编译程序段1；
- 否则编译程序段2。
小结
- 主要内容
- 作用域与可见性、对象的生存期、数据的共享与保护、友元、编译预处理命令、多文件结构和工程
- 达到的目标
- 理解并能够运用作用域与可见性、对象的生存期
- 掌握函数之间、类之间、对象之间数据的共享与保护方法。
- 掌握编译预处理命令，学会用多文件结构和工程