C++：动态内存和类（第十二章）

例子1：创建一个StringBad类，成员有指向char数组的指针和字符串长度int，以及一个存储字符串数的静态变量。

stringbad.h

#ifndef STRINGBAD_H_
#define STRINGBAD_H_
#include<iostream>

class StringBad{
    private:
        char * str;
        int len;
        static int num_str;
    public:
        StringBad();
        StringBad(const char * c);
        ~StringBad();
        friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os,const StringBad& s);
};

#endif

1.cpp

#include"stringbad.h"
#include<cstring>
using std::cout;

int StringBad::num_str =0;

StringBad::StringBad(){
    str = new char[4];
    len =3;
    strcpy(str,"C++");
    num_str++;
    cout<<num_str<<": \""<<str<<"\" default object created\n";
}

StringBad::StringBad(const char* c)
{
    len = strlen(c);
    str = new char[len+1];
    strcpy(str,c);
    num_str++;
    cout<<num_str<<": \""<<str<<"\" default object created\n";
}

StringBad::~StringBad(){
    cout<<"\""<<str<<"\" deleted, ";
    num_str--;
    delete [] str;
    cout<<num_str<<"left\n";
}

std::ostream& operator<<(std::ostream& os,const StringBad& s)
{
    os<<s.str;
    return os;
}

程序解析：

  1. 构造函数以及default构造函数用new来为字符串指针分配大小为len+1的动态内存（因为strlen（）得到的是字符串的长度，not include '\0'）
  2. 然后用strcpy()来赋值，将字符串复制到新的内存中，字符串并不保存在对象中，而是保存到heap中，对象仅仅是指出该地址在哪。
  3. 直接用等号的话是不可以的，因为这是指针，str = s只保存了地址，没有创建字符串副本。
  4. 不能在类声明中初始化静态变量，因为类声明是描述如何分配内存，而不分配内存。对于静态类成员，可以在类声明之外使用单独语句初始化，因为静态类成员是单独存储的，不在哪个对象里，是共享的。如果在头文件初始化，且在多个文件里引用头文件，将多次初始化，发生错误。但静态数据成员的const整数类和枚举类是例外，可以类声明初始化。
  5. 析构函数里必须包括delete [] str，以及num_str--；
    StringBad过期时，str指针也将过期，但str指向的内存仍然被分配。所以必须用delete释放该内存。

2.cpp（将发生很多错误）

#include"stringbad.h" 
using std::cout;
void func1(StringBad& s);
void func2(StringBad s);
int main()
{
    
    using std::endl;
    {
        StringBad s1("I am Jeff11111");
        StringBad s2("I am Jeff22222");
        StringBad s3("I am Jeff33333");
        cout<<"s1 : "<<s1<<endl;
        cout<<"s2 : "<<s2<<endl;
        cout<<"s3 : "<<s3<<endl;
        func1(s1);
        cout<<"s1: "<<s1<<endl;
        func2(s2);
        cout<<"s2: "<<s2<<endl;
        cout<<"\n 初始化一个新的对象\n";
        StringBad s4 = s3;
        cout<<"s4 : "<<s4<<endl;
        cout<<"s3 : "<<s3<<endl;
        cout<<"\n 赋值一个对象到一个新对象\n";
        StringBad s5;
        cout<<"赋值之前 s5 : "<<s5<<endl;
        s5 = s1;
        cout<<"赋值之后 s5 : "<<s5<<endl;
        cout<<"此时s2 : "<<s2<<endl;
        cout<<"离开代码块： \n";
    }
    cout<<"Over!\n" ;
    return 0;
}
image.png

程序解析：

  1. 按值传递的函数调用之后，接着就是析构函数的调用。
  2. s2指向的字符串被篡改
  3. 初始化一个新对象没有构造函数里要打印的信息。
  4. s2指向的字符串内容变成C++
  5. 离开代码块之后，应该会调用5次析构函数，但仅仅调用了3次，且第三个既s3还出现乱码，连num_str都没了。

所以问题出现在：
1.用对象来初始化一个新对象没有使用构造函数
2.按值传递函数，将调用析构函数
3.s2所指向的字符串内存地址，被删除了，然后被s5默认构造函数创建的那个"C++"占领了
4.赋值s5=s1并没有把s2的"c++"改掉。

特殊成员函数

当没有相关设计时，C++将提供下面这个成员函数：
1.默认构造函数
5.默认析构函数
2.复制构造函数
3.赋值运算符
4.地址运算符

复制构造函数

  1. 复制构造函数用于将一个对象复制到新创建的对象中，用于初始化过程中，而不是常规赋值过程中。
    原型class_name（const Class-name& ）
  2. 何时被调用？
    新建一个对象并将其初始化为同类现有对象时，将会出现。比如：
StringBad ditto（motto)
StringBad metto = motto;
StringBad also = StringBad(motto);
StringBad* ptr = new StringBad(motto);

其中中间两种情况，可能是直接用复制构造函数创建新对象，或者是复制构造函数创建一个motto对象副本，然后赋值给新对象。最后一种声明使用motto初始化一个匿名对象，然后将新对象地址传递给ptr

  1. 按值传递函数意味着创建原始变量的一个副本，编译器生成临时变量，使用复制构造函数。然后结束函数时，将销毁副本。就调用了析构函数，由于副本是复制原始变量的值，所以原始变量指针指向的地址就同副本指针指向地址一致，所以改地址会被销毁，而且num_str也会被减一。
  2. default复制构造函数的功能
    就是逐个复制非静态成员（因为静态成员不是对象里的成员，而是整个类的成员）
  3. 解决方法：
    1.避免使用这种方法
    2.重新定义一个显式复制构造函数

赋值运算符

  1. 原型如下：
    class_name& class_name::operator=(const class_name &)
  2. 何时使用？
    将已有的对象赋值给另一个对象时，将使用。但初始化时，一般都是自动使用复制构造函数。
  3. 赋值运算符也是将非静态成员逐个赋值，然后初始化s5的时候，s2指针所指向的内存地址其实已经被delete了，所以是个空出来的位置。所以s5初始化就指向这个位置（原来是s2的指针所指），后来赋值s5 = s1，s5的指针就指向s1指针所指的地方。所以"C++"的地址的内容并没有被改变。也是成员复制问题。

修改地方如下：

复制构造函数
StringBad::StringBad(const StringBad& s)
{
    len = s.len;
    str = new char[len+1];
    strcpy(str,s.str);
    num_str++;
    cout<<num_str<<": \""<<str<<"\" default object created\n";
}

赋值运算符
StringBad& StringBad::operator=(const StringBad& s)
{
    if(this == &s)
        return *this;
    delete [] str;
    len = s.len;
    str = new char[len+1];
    strcpy(str,s.str);
    return *this;
}

程序解析：

  1. 复制构造函数
    1.它的参数是类的引用（如果是按值还要创建副本效率低，而且类的引用，主程序按值传递也适用）
  2. 赋值运算符
    1.首先返回的是类的引用（因为s5=s1，懂了吧）
    2.然后判断该地址是不是本身（用隐式地址==&s）
    3.不是的话要先删除原本的地址，然后再重新分配。
image.png

（下一节内容....）

这一节要往类里面加入的功能：

int length()  const {return len}
friend bool operator<(const StringBad& s1,const StringBad& s2);
friend bool operator==(const StringBad& s1,const StringBad& s2);
friend bool operator>(const StringBad& s1,const StringBad& s2);
friend istream& std::operator>>(std::istream& is, StringBad& s);
StringBad& operator=(const char * s);
char& operator[](int n);
const char& operator[](int n) const;
static int Howmany();

修改后的默认函数：

StringBad::StringBad(){
    len = 0;
    str = new char[1] ;
    str[0] = nullptr ; 
    num_str++;
}

1.用str = new char[1]而不用new char是因为要对照析构函数里的delete
2.用nullptr来表示空指针（仅支持C+11版本，可以NULL或0）

比较函数

可以用strcmp（S1,S2）来返回bool值。当第一个参数小于第二个参数时，返回的是一个负值。等于时返回0。大于时返回一个正值。

bool operator<(const StringBad& s1,const StringBad& s2)
{
    return (std::strcmp(s1.str,s2.str)<0);
}

bool operator>(const StringBad& s1,const StringBad& s2)
{
    return s2<s1;
}

bool operator==(const StringBad& s1,const StringBad& s2)
{
    return (std::strcmp(s1.str,s2.str)== 0);
}
  1. 用<运算符来表示>运算符，对于内联函数是个很好的选择。
  2. 将比较函数用作友元函数，有助于string对象与常规C字符串进行比较。如if（“loving”== str） 【str为类对象】

中括号表示法访问字符

char& StringBad::operator[](int n)
{
    return str[n];
}

1.假设opr是一个类对象，opr[4]就被转换为opr.operator，将访问第五个字符。
2.还可以opr[5] = 'r',转换为opr.operator = 'r' 。这样代码访问了私有成员，但由于类方法，所以可以访问。
3.如果有个const常量， 上面方法不确保不会修改，所以另外定义一个函数const char& operator[](int n) const。C++将根据常量和非常量的特征标来区分函数。

const char& StringBad::operator[](int n) const
{
    return str[n];
}

静态成员函数

  1. 可以将成员函数声明为静态，则有两个后果
    1.不能通过对象调用静态成员函数。静态成员函数不能使用this指针。如果静态成员函数声明在公有部分，则可以使用类名加作用域解析运算符来使用它。方法在类声明中声明和定义如下:
    static int Howmany() { return num_str;}
    2.静态成员函数可以访问静态成员，但不能访问其他私有成员，因为不与特定对象相关联。

重载赋值运算符
若有如下代码：

StringBad s;
char temp[40];
cin.getline(temp,40);
s = temp;

最后一句工作原理：
1.使用构造函数StringBad(const char * )来创建一个临时对象，其中包括temp字符串副本。
2.使用之前声明的StringBad& operator=(const StringBad& )来进行复制。
3.析构函数删除临时对象。
这样效率太低了，所以可以直接重载赋值运算符
数组名是char*

StringBad& StringBad::operator=(const char* s)
{
    delete [] str;
    len = std::strlen(s);
    str = new char[ len +1];
    std::strcpy(str,s);
    return *this;
}

重载>>运算符

1.同重载<<运算符一样，要返回istream类引用。假定输入不得超过最大字数CINLIM(在private部分定义：static const int CINLIM = 80;)
2.if条件下，如果文件到达末尾或读取的是空行，导致输入失败，is将设置为false

std::istream& operator<<(std::istream& is, StringBad& s)
{
    char temp[StringBad::CINLIM];
    is.get(temp,StringBad::CINLIM);
    if(is)
        st = temp;
    while(is && is.get() !='\n')
        continue;
    return is;
}

程序设计
该程序允许输入几个字符串，然后存储到StringBad对象中，并显示他们，并指出哪个字符串最短，哪个字符串按字母顺序排在最前。

#include"stringbad.h" 
using std::cout;
using std::endl;
using std::cin;
const int ArSize = 10;
const int MaxLen = 81;
int main()
{
    StringBad name;
    cout<<"What's your name?"<<endl;
    cin>>name;
    cout<<name<<"输入不超过"<<ArSize<<"句的短句（空行退出）: "<<endl;
    StringBad sayings[ArSize];
    char temp[MaxLen];
    int i;
    for(i=0;i<ArSize;i++)
    {
        cout<<i+1<<": ";
        cin.get(temp,MaxLen);
        while(cin&&cin.get()!='\n')
            continue;
        if(!cin||temp[0]=='\0') 
            break;
        else
            sayings[i] = temp;
     } 
     int total = i;
     if(total>0)
     {
        cout<<"Here is your saying: "<<endl;
        for(i=0;i<total;i++)
        {
            cout<< sayings[i][0]<<": "<<sayings[i]<<endl;
            cout<<"length； "<<sayings[i].length()<<endl;
         }
         
        int shortest =0;
        int first =0;
        for(i=1;i<total;i++)
        {
            if(sayings[i].length()<sayings[shortest].length())
                shortest = i;
            if(sayings[i]< sayings[first])
                first = i;
        }
        
        cout<<"Shortest: "<<sayings[shortest]<<endl;
        cout<<"First: "<<sayings[first]<<endl;
        cout<<"There are "<<StringBad::Howmany()<<" StringBad object"<<endl;
     }
     else
        cout<<"no sayings\n";
    return 0;
}

程序解析：

  1. 使用了类对象
  2. if(!cin || temp[0]=='\0')输入失败或空行会退出循环

构造函数使用new注意事项：

  1. 如果在构造函数使用new来初始化指针，则在析构函数使用delete
  2. new和delete要对应。new对应delete,new [] 对应delete []
  3. 如果有多个构造函数，必须以相同的方式使用new，因为只有一个析构函数。默认构造函数将它设置为nullptr或0
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