2.4 全功能的C++類

POD類只包含數(shù)據(jù)成員，有時這就是你對類的全部要求。然而，只用POD類設(shè)計程序會很復(fù)雜。我們可以用封裝來處理這種復(fù)雜性，封裝是一種設(shè)計模式，它可以將數(shù)據(jù)與操作它的函數(shù)結(jié)合起來。將相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)放在一起，至少在兩個方面有助于簡化代碼。首先，可以把相關(guān)的代碼放在一個地方，這有助于對程序進行推理。它有助于對代碼工作原理的理解，因為它在一個地方同時描述了程序狀態(tài)以及代碼如何修改該狀態(tài)。其次，可以通過一種叫作信息隱藏的做法將類的一些代碼和數(shù)據(jù)相對程序的其他部分隱藏起來。

在C++中，向類定義添加方法和訪問控制即可實現(xiàn)封裝。

2.4.1 方法

方法就是成員函數(shù)。它們在類、其數(shù)據(jù)成員和一些代碼之間建立了明確的聯(lián)系。定義方法就像在類的定義中加入函數(shù)一樣簡單。方法可以訪問類的所有成員。

考慮一個記錄年份的示例類ClockOfTheLongNow。以下代碼定義了一個int類型的year成員和一個遞增它的add_year方法：

add_year方法的聲明?看起來像其他不需要參數(shù)也不返回值的函數(shù)聲明一樣。在這個方法中，我們增加了成員year的值?。代碼清單2-19顯示了如何使用這個類來跟蹤年份。

我們聲明了一個ClockOfTheLongNow實例clock?，然后將clock的year設(shè)置為2017?。接著，調(diào)用clock的add_year方法?，然后打印clock.year的值?。遞增年份?并再次打印年份?，這樣就完成了這個程序。

2.4.2 訪問控制

訪問控制可以限制類成員的訪問。公有和私有是兩個主要的訪問控制。任何人都可以訪問公有成員，但只有類自身可以訪問其私有成員。所有的struct成員默認都是公有的。

私有成員在封裝中發(fā)揮著重要作用。再次考慮ClockOfTheLongNow類。目前，year成員可以從任何地方訪問，包括讀訪問和寫訪問。假設(shè)我們想防止year的值小于2019，那么可以通過兩個步驟來實現(xiàn)：將year設(shè)為私有，并要求使用該類的任何人（消費者）只能通過該結(jié)構(gòu)的方法與year進行交互。代碼清單2-20說明了這種方法。

我們向ClockOfTheLongNow添加了兩個方法：setter?和getter?，用于設(shè)置或獲取year。我們沒有讓ClockOfTheLongNow的用戶直接修改year，而是用set_year設(shè)置year。這個新增的輸入驗證可以確保new_year永遠不會小于2019?。如果小于2019，代碼就會返回false，保持year不被修改。否則，year會被更新并返回true。為了獲得year的值，用戶需調(diào)用get_year。

我們已經(jīng)使用了訪問控制標簽private?來禁止消費者訪問year。現(xiàn)在，用戶只能從ClockOfTheLongNow內(nèi)部訪問year。

1.關(guān)鍵字class

我們可以用class關(guān)鍵字代替struct關(guān)鍵字，class關(guān)鍵字默認成員聲明為private。除了默認的訪問控制外，用struct和class關(guān)鍵字聲明的類是一樣的。例如，可以用下列方式聲明ClockOfTheLongNow：

以何種方式聲明類只是個人風(fēng)格問題。除了默認的訪問控制外，struct和class之間完全沒有區(qū)別。我更喜歡使用struct關(guān)鍵字，因為我喜歡把公有成員列在前面。但每個程序員都有自己的風(fēng)格，培養(yǎng)一種風(fēng)格并堅持下去。

2.初始化成員

在封裝了year之后，我們現(xiàn)在必須使用方法來與ClockOfTheLongNow交互。代碼清單2-21顯示了如何將這些方法拼接到一個試圖將年份設(shè)置為2018的程序中。程序沒有設(shè)置成功，然后程序?qū)?b>year設(shè)置為2019，遞增年份，并打印其最終值。

首先，我們聲明了clock?，并試圖把它的年份設(shè)置為2018?。沒有設(shè)置成功，因為2018小于2019，然后程序?qū)⒛攴菰O(shè)置為2019?。把年份遞增一次?，然后打印它的值。

ClockOfTheLongNow有一個問題：當(dāng)clock被聲明?時，year是未初始化的。而我們想保證year在任何情況下都不會小于2019。這樣的要求被稱為類不變量：一個總是真的類特性（也就是說，它從不改變）。

在這個程序中，clock最終會進入一個良好的狀態(tài)?，但通過構(gòu)造函數(shù)可以做得更好。構(gòu)造函數(shù)會初始化對象，并在對象的生命周期之初就強制執(zhí)行類不變量。

2.4.3 構(gòu)造函數(shù)

構(gòu)造函數(shù)是具有特殊聲明的特殊方法。構(gòu)造函數(shù)聲明不包含返回類型，其名稱與類的名稱一致。例如，代碼清單2-22中的構(gòu)造函數(shù)不需要任何參數(shù)，并將year設(shè)置為2019，這將導(dǎo)致year默認為2019。

該構(gòu)造函數(shù)不需要參數(shù)?并將year設(shè)置為2019?。當(dāng)聲明新的ClockOfThe-LongNow時?，year默認為2019。我們可以使用get_year訪問year，并把它打印到控制臺?。

如果想用其他年份來初始化ClockOfTheLongNow，該怎么辦？構(gòu)造函數(shù)也可以接受任何數(shù)量的參數(shù)。我們可以實現(xiàn)任意多的構(gòu)造函數(shù)，只要它們的參數(shù)類型不同。

考慮代碼清單2-23中的例子，它添加了一個接受int類型參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)。該構(gòu)造函數(shù)可將year初始化為參數(shù)的值。

新的構(gòu)造函數(shù)?接受一個int類型的year_in參數(shù)。我們可以用year_in?調(diào)用set_year。如果set_year返回false，說明調(diào)用者提供了錯誤的輸入，程序會用默認值2019覆寫year_in?。在main中，我們用新的構(gòu)造函數(shù)?聲明一個clock，然后打印結(jié)果?。ClockOfTheLongNow clock{2020};被稱為初始化語句。

注意 你可能不喜歡將無效的year_in實例默默糾正為2019?的做法。我也不喜歡這樣。異常機制（詳見4.3節(jié)）可以解決這個問題。

2.4.4 初始化

對象初始化（簡稱初始化）是使對象“活起來”的過程。不幸的是，對象初始化的語法很復(fù)雜。幸運的是，初始化過程是直截了當(dāng)?shù)摹１竟?jié)將對C++對象初始化進行簡單提煉。

1.將基本類型初始化為零

我們先把基本類型的對象初始化為零。有四種方法可以做到這一點：

其中三種是可靠的，分別是使用字面量?明確地設(shè)置對象的值，使用大括號{}?，以及使用等號加大括號（={}）的方法?。聲明對象時沒有額外的符號?是不可靠的，它只在某些情況下有效。即使你了解這些情況，也應(yīng)該避免依賴這種行為，因為它會造成混亂。

不出所料，使用大括號{}初始化變量的方法被稱為大括號初始化。C++初始化語法如此混亂的部分原因是，該語言從C語言（對象的生命周期是原始的）發(fā)展到具有健壯和豐富特性的對象生命周期的語言。語言設(shè)計者在現(xiàn)代C++中加入了大括號初始化，以幫助在初始化語法中的各種尖銳沖突中平滑過渡。簡而言之，無論對象的作用域或類型如何，大括號初始化總是適用的，而其他方法則不總適用。本章后面會介紹鼓勵廣泛使用大括號初始化的一般規(guī)則。

2.將基本類型初始化為任意值

初始化為任意值的過程類似于將基本類型初始化為零的過程：

它也有四種方法，分別是使用等號的初始化?，使用大括號初始化?，使用等號加大括號的初始化?，以及使用小括號的初始化?。所有這些都產(chǎn)生相同的代碼。

3.初始化POD

初始化POD的語法大多遵循基本類型的初始化語法。代碼清單2-24通過聲明一個包含三個成員的POD類型并用不同的值初始化它的實例來說明這種相似性。

將POD對象初始化為零與將基本類型的對象初始化為零類似。大括號初始化?和等號加大括號的初始化?產(chǎn)生相同的代碼：字段初始化為零。

警告 不能對POD使用“等于0”的初始化方法。以下代碼不會被編譯，因為它在語言規(guī)則中被明確禁止了：

4.將POD初始化為任意值

我們可以使用括號內(nèi)的初始化列表將字段初始化為任意值。大括號初始化列表中的參數(shù)必須與POD成員的類型相匹配。從左到右的參數(shù)順序與從上到下的成員順序一致。任何省略的成員都被設(shè)置為零。成員a和b在initialized_pod3?中被初始化為42和Hello，c被清零（設(shè)置為false），因為我們在括號內(nèi)的初始化中省略了它。initialized_pod4?的初始化包括了c的參數(shù)（true），所以它的值在初始化后被設(shè)置為true。

等號加大括號的初始化工作方式與此相同。例如，我們可以用以下代碼來代替?：

因為只能從右到左省略字段，所以下面的代碼不會被編譯：

警告 不能使用小括號來初始化POD。以下代碼將不會被編譯：

5.初始化數(shù)組

我們可以像初始化POD一樣初始化數(shù)組。數(shù)組聲明和POD聲明的主要區(qū)別是，數(shù)組指定了長度，這個長度參數(shù)在方括號[]中。

當(dāng)使用大括號初始化列表來初始化數(shù)組時，長度參數(shù)變得可有可無，因為編譯器可以從初始化列表參數(shù)的數(shù)量推斷出長度參數(shù)。

代碼清單2-25演示了一些初始化數(shù)組的方法。

數(shù)組array_1的長度為3，其元素為1、2和3?。array_2的長度是5，因為它指定了長度參數(shù)?。括號內(nèi)的初始化列表是空的，所以五個元素都初始化為零。array_3的長度也是5，但括號內(nèi)的初始化列表不是空的。它包含三個元素，所以剩下的兩個元素初始化為零?。array_4沒有大括號初始化列表，所以它包含未初始化的對象?。

警告 array_5是否被初始化實際上取決于與初始化基本類型相同的規(guī)則。對象的存儲期（見4.1節(jié)）決定了這些規(guī)則。如果你對初始化有明確的要求，你就不必記住這些規(guī)則。

6.全功能類的初始化

與基本類型和POD不同，全功能類總是被初始化。換句話說，一個全功能類的構(gòu)造函數(shù)總是在初始化時被調(diào)用。具體是哪個構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用取決于初始化時給出的參數(shù)。

代碼清單2-26中的類有助于闡明全功能類的用法。

Taxonomist類有四個構(gòu)造函數(shù)。如果初始化時沒有提供參數(shù)，無參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用?。如果初始化時提供char、int或float，相應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)???會分別被調(diào)用。在每一種情況下，構(gòu)造函數(shù)都會用printf語句給出提示。

代碼清單2-27使用不同的語法和參數(shù)初始化了幾個Taxonomist。

沒有任何大括號或小括號時，無參數(shù)構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用?。與POD和基本類型不同，無論在哪里聲明對象，都可以依賴這種初始化。使用大括號初始化列表，char?、int?和float?構(gòu)造函數(shù)會如預(yù)期那樣被調(diào)用。我們也可以使用小括號?和等號加大括號的語法?，這些都會調(diào)用預(yù)期的構(gòu)造函數(shù)。

雖然全功能類總是被初始化，但有些程序員喜歡對所有對象使用相同的初始化語法。這對于大括號初始化來說是沒有問題的，因為默認構(gòu)造函數(shù)會按照預(yù)期被調(diào)用?。

不幸的是，使用小括號的初始化?會導(dǎo)致一些令人驚訝的行為。它不會給出任何輸出。

乍看起來，最后一個初始化語句?像函數(shù)聲明，這是因為它就是。由于一些神秘的語言解析規(guī)則，我們向編譯器聲明的是一個尚未定義的函數(shù)t8，它沒有任何參數(shù)，返回一個類型為Taxonomist的對象。

注意 9.1節(jié)詳細地介紹了函數(shù)聲明。但是現(xiàn)在，你只需要知道你可以提供一個函數(shù)聲明，在聲明中定義函數(shù)的修飾符、名稱、參數(shù)和返回類型，然后再在函數(shù)定義中提供函數(shù)體。

這個廣為人知的問題被稱為“最令人頭疼的解析”（most vexing parse），這也是C++社區(qū)在語言中引入大括號初始化語法的一個主要原因。縮小轉(zhuǎn)換（narrowing conversion）是另一個問題。

7.縮小轉(zhuǎn)換

每當(dāng)遇到隱式縮小轉(zhuǎn)換時，大括號初始化將產(chǎn)生警告。這是一個很棒的功能，可以讓我們避免一些討厭的bug。考慮下面的例子：

兩個float字面量的除法結(jié)果仍是一個浮點數(shù)。當(dāng)初始化narrowed_result?時，編譯器默默地將a/b（0.5）的結(jié)果縮小到0，因為我們使用小括號（　）來初始化。當(dāng)使用大括號初始化時，編譯器會產(chǎn)生一個警告?。

8.初始化類成員

我們可以使用大括號初始化來初始化類的成員，正如這里所演示的：

gold成員使用等號初始化方法初始化?，year_of_smelting_accident使用大括號初始化方法初始化?，key_location使用等號加大括號的方法初始化?。不能使用小括號來初始化成員變量。

9.打起精神來

初始化對象的各種方法甚至讓有經(jīng)驗的C++程序員都感到困惑。這里有一條使初始化變得簡單的一般規(guī)則：在任何地方都使用大括號初始化方法。大括號初始化方法幾乎在任何地方都能正常工作，而且它們引起的意外也最少。由于這個原因，大括號初始化也被稱為“統(tǒng)一初始化”。本書的其余部分都遵循這一指導(dǎo)。

警告 對于C++標準庫中的某些類，你可能需要打破在任何地方都使用大括號初始化方法的規(guī)則。第二部分會把這些例外情況講解清楚。

2.4.5 析構(gòu)函數(shù)

對象的析構(gòu)函數(shù)是其清理函數(shù)。析構(gòu)函數(shù)在銷毀對象之前被調(diào)用。析構(gòu)函數(shù)幾乎不會被明確地調(diào)用：編譯器將確保每個對象的析構(gòu)函數(shù)在適當(dāng)?shù)臅r機被調(diào)用。我們可以在類的名稱前加上“~”來聲明該類的析構(gòu)函數(shù)。

下面的Earth類有一個析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)會打印Making way for hyperspace bypass：

析構(gòu)函數(shù)的定義是可選的。如果決定實現(xiàn)一個析構(gòu)函數(shù)，它不能接受任何參數(shù)。我們想在析構(gòu)函數(shù)中執(zhí)行的操作包括釋放文件句柄、刷新網(wǎng)絡(luò)套接字（socket）和釋放動態(tài)對象。

如果沒有定義析構(gòu)函數(shù)，則會自動生成默認的析構(gòu)函數(shù)。默認析構(gòu)函數(shù)的行為是不執(zhí)行任何操作。

更多關(guān)于析構(gòu)函數(shù)的信息請見4.2節(jié)。