以良好的方式編寫C++ class

假設(shè)現(xiàn)在我們要實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)數(shù)類complex，在類的實(shí)現(xiàn)過程中探索良好的編程習(xí)慣。

① Header(頭文件)中的防衛(wèi)式聲明

complex.h:

# ifndef  __COMPLEX__
# define __COMPLEX__
class complex
{

}
# endif

防止頭文件的內(nèi)容被多次包含。

② 把數(shù)據(jù)放在private聲明下，提供接口訪問數(shù)據(jù)

# ifndef  __COMPLEX__
# define __COMPLEX__
class complex
{
    public:
        double real() const {return re;}
        double imag() const {return im;}
    private:
        doubel re,im;
}
# endif

③ 不會(huì)改變類屬性（數(shù)據(jù)成員）的成員函數(shù)，全部加上const聲明

例如上面的成員函數(shù)：

double real () `const` {return re;}
double imag() `const` {return im;}

既然函數(shù)不會(huì)改變對象，那么就如實(shí)說明，編譯器能幫你確保函數(shù)的const屬性，閱讀代碼的人也明確你的意圖。

而且，const對象才可以調(diào)用這些函數(shù)——const對象不能夠調(diào)用非const成員函數(shù)。

④ 使用構(gòu)造函數(shù)初始值列表

class complex
{
    public:
        complex(double r = 0, double i =0)
            : re(r), im(i)  { }
    private:
        doubel re,im;
}

在初始值列表中，才是初始化。在構(gòu)造函數(shù)體內(nèi)的，叫做賦值。

⑤如果可以，參數(shù)盡量使用reference to const

為complex 類添加一個(gè)+=操作符：

class complex
{
    public:
        complex& operator += (const complex &)
}

使用引用避免類對象構(gòu)造與析構(gòu)的開銷，使用const確保參數(shù)不會(huì)被改變。內(nèi)置類型的值傳遞與引用傳遞效率沒有多大差別，甚至值傳遞效率會(huì)更高。例如，傳遞char類型時(shí)，值傳遞只需傳遞一個(gè)字節(jié)；引用實(shí)際上是指針實(shí)現(xiàn)，需要四個(gè)字節(jié)（32位機(jī)）的傳遞開銷。但是為了一致，不妨統(tǒng)一使用引用。

⑥ 如果可以，函數(shù)返回值也盡量使用引用

以引用方式返回函數(shù)局部變量會(huì)引發(fā)程序未定義行為，離開函數(shù)作用域局部變量被銷毀，引用該變量沒有意義。但是我要說的是，如果可以，函數(shù)應(yīng)該返回引用。當(dāng)然，要放回的變量要有一定限制：該變量的在進(jìn)入函數(shù)前，已經(jīng)被分配了內(nèi)存。以此條件來考量，很容易決定是否要放回引用。而在函數(shù)被調(diào)用時(shí)才創(chuàng)建出來的對象，一定不能返回引用。

說回operator +=，其返回值就是引用，原因在于，執(zhí)行a+=b時(shí)，a已經(jīng)在內(nèi)存上存在了。

而operator +，其返回值不能是引用，因?yàn)閍+b的值，在調(diào)用operator +的時(shí)候才產(chǎn)生。

下面是operator+=與’operator +’ 的實(shí)現(xiàn)：

inline complex & complex :: operator += (const complex & r)
{
        this -> re+= r->re;
        this -> im+= r->im;
        return * this;
}
inline complex operator + (const complex & x , const complex & y)
{
        return complex ( real (x)+ real (y),                        //新創(chuàng)建的對象，不能返回引用
                                 imag(x)+ imag(y));
}

在operator +=中返回引用還是必要的，這樣可以使用連續(xù)的操作：

c3 += c2 += c1;

⑦ 如果重載了操作符，就考慮是否需要多個(gè)重載

就我們的復(fù)數(shù)類來說，+可以有多種使用方式：

complex c1(2,1);
complex c2;
c2 = c1+ c2;
c2 = c1 + 5;
c2 = 7 + c1;

為了應(yīng)付怎么多種加法，+需要有如下三種重載：

inline complex operator+ (const complex & x ,const complex & y)
{
    return complex (real(x)+real(y),
                    imag(x+imag(y););
}
inline complex operator + (const complex & x, double y)
{
    return complex (real(x)+y,imag(x));

inline complex operator + (double x，const complex &y)
{
    return complex (x+real(y),imag(y));
}

⑧ 提供給外界使用的接口，放在類聲明的最前面

這是某次面試中，面試官大哥告訴我的。想想確實(shí)是有道理，類的用戶用起來也舒服，一眼就能看見接口。

Class with pointer member(s)：記得寫B(tài)ig Three

C++的類可以分為帶指針數(shù)據(jù)成員與不帶指針數(shù)據(jù)成員兩類,complex就屬于不帶指針成員的類。而這里要說的字符串類String，一般的實(shí)現(xiàn)會(huì)帶有一個(gè)char *指針。帶指針數(shù)據(jù)成員的類，需要自己實(shí)現(xiàn)class三大件：拷貝構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)。

class String
{
    public:
        String (const char * cstr = 0);
        String (const String & str);
        String & operator = (const String & str);
        ~String();
        char * get_c_str() const {return m_data};
    private:
        char * m_data;
}

如果沒有寫拷貝構(gòu)造函數(shù)、賦值構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)，編譯器默認(rèn)會(huì)給我們寫一套。然而帶指針的類不能依賴編譯器的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)——這涉及到資源的釋放、深拷貝與淺拷貝的問題。在實(shí)現(xiàn)String類的過程中我們來闡述這些問題。

①析構(gòu)函數(shù)釋放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存資源

如果class里有指針，多半是需要進(jìn)行內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配（例如String），析構(gòu)函數(shù)必須負(fù)責(zé)在對象生命結(jié)束時(shí)釋放掉動(dòng)態(tài)申請來的內(nèi)存，否則就造成了內(nèi)存泄露。局部對象在離開函數(shù)作用域時(shí)，對象析構(gòu)函數(shù)被自動(dòng)調(diào)用，而使用new動(dòng)態(tài)分配的對象，也需要顯式的使用delete來刪除對象。而delete實(shí)際上會(huì)調(diào)用對象的析構(gòu)函數(shù)，我們必須在析構(gòu)函數(shù)中完成釋放指針m_data所申請的內(nèi)存。下面是一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，體現(xiàn)了m_data的動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請：

/*String的構(gòu)造函數(shù)*/
inline
String ::String (const char *cstr = 0)
{
    if(cstr)
    {
        m_data = new char[strlen(cstr)+1];   // 這里，m_data申請了內(nèi)存
        strcpy(m_data,cstr);
    }
    else
    {
        m_data= new char[1];
        *m_data = '';
    }
}

這個(gè)構(gòu)造函數(shù)以C風(fēng)格字符串為參數(shù)，當(dāng)執(zhí)行

String *p = new String ("hello");

m_data向系統(tǒng)申請了一塊內(nèi)存存放字符串hello：

析構(gòu)函數(shù)必須負(fù)責(zé)把這段動(dòng)態(tài)申請來的內(nèi)存釋放掉：

inline
String ::~String()
{
    delete[]m_data;
}

②賦值構(gòu)造函數(shù)與復(fù)制構(gòu)造函數(shù)負(fù)責(zé)進(jìn)行深拷貝

來看看如果使用編譯器為String默認(rèn)生成的拷貝構(gòu)造函數(shù)與賦值操作符會(huì)發(fā)生什么事情。默認(rèn)的復(fù)制構(gòu)造函數(shù)或賦值操作符所做的事情是對類的內(nèi)存進(jìn)行按位的拷貝，也稱為淺拷貝，它們只是把對象內(nèi)存上的每一個(gè)bit復(fù)制到另一個(gè)對象上去，在String中就只是復(fù)制了指針，而不復(fù)制指針?biāo)竷?nèi)容?，F(xiàn)在有兩個(gè)String對象：

String a("Hello");
String b("World");

a、b在內(nèi)存上如圖所示：

如果此時(shí)執(zhí)行

b = a;

淺拷貝體現(xiàn)為：

存儲World的內(nèi)存塊沒有指針?biāo)赶?，已?jīng)成了一塊無法利用內(nèi)存，從而發(fā)生了內(nèi)存泄露。不止如此，如果此時(shí)對象a被刪除，使用我們上面所寫的析構(gòu)函數(shù)，存儲Hello的內(nèi)存塊就被釋放調(diào)用，此時(shí)b.m_data成了一個(gè)野指針。來看看我們自己實(shí)現(xiàn)的構(gòu)造函數(shù)是如何解決這個(gè)問題的，它復(fù)制的是指針?biāo)傅膬?nèi)存內(nèi)容，這稱為深拷貝

/*拷貝賦值函數(shù)*/
inline String &String ::operator= (const String & str)
{
    if(this == &str)           //①
        return *this;
    delete[] m_data;        //②
    m_data = new char[strlen(str.m_data)+1];        //③
    strcpy(m_data,str.m_data);            //④
    return *this
}

這是拷貝賦值函數(shù)的經(jīng)典實(shí)現(xiàn)，要點(diǎn)在于:

① 處理自我賦值，如果不存在自我賦值問題，繼續(xù)下列步驟：
② 釋放自身已經(jīng)申請的內(nèi)存
③ 申請一塊大小與目標(biāo)字符串一樣大的內(nèi)存
④ 進(jìn)行字符串的拷貝

對于a = b,②③④過程如下：

同樣的，復(fù)制構(gòu)造函數(shù)也是一個(gè)深拷貝的過程：

inline String ::String(const String & str )
{
    m_data = new char[ strlen (str) +1];
    strcpy(m_data,str.m_data);
}

另外，一定要在operator = 中檢查是否self assignment假設(shè)這時(shí)候確實(shí)執(zhí)行了對象的自我賦值，左右pointers指向同一個(gè)內(nèi)存塊，前面的步驟②delete掉該內(nèi)存塊造成下面的結(jié)果。當(dāng)企圖對rhs的內(nèi)存進(jìn)行訪問是，結(jié)果是未定義的。

static與類

① 不和對象直接相關(guān)的數(shù)據(jù)，聲明為static

想象有一個(gè)銀行賬戶的類，每個(gè)人都可以開銀行賬戶。存在銀行利率這個(gè)成員變量，它不應(yīng)該屬于對象，而應(yīng)該屬于銀行這個(gè)類，由所有的用戶來共享。static修飾成員變量時(shí)，該成員變量放在程序的全局區(qū)中，整個(gè)程序運(yùn)行過程中只有該成員變量的一份副本。而普通的成員變量存在每個(gè)對象的內(nèi)存中，若把銀行利率放在每個(gè)對象中，是浪費(fèi)了內(nèi)存。

② static成員函數(shù)沒有this指針

static成員函數(shù)與普通函數(shù)一樣，都是只有一份函數(shù)的副本，存儲在進(jìn)程的代碼段上。不一樣的是，static成員函數(shù)沒有this指針，所以它不能夠調(diào)用普通的成員變量，只能調(diào)用static成員變量。普通成員函數(shù)的調(diào)用需要通過對象來調(diào)用，編譯器會(huì)把對象取地址，作為this指針的實(shí)參傳遞給成員函數(shù)：

obj.func() ---> Class :: fun(&obj);

而static成員函數(shù)即可以通過對象來調(diào)用，也可以通過類名稱來調(diào)用。

③在類的外部定義static成員變量

另一個(gè)問題是static成員變量的定義。static成員變量必須在類外部進(jìn)行定義：

class A
{
    private:
        static int a; //①
}
int A::a = 10;  //②

注意①是聲明，②才是定義，定義為變量分配了內(nèi)存。

④static與類的一些小應(yīng)用

這些可以用來應(yīng)付一下面試，在實(shí)現(xiàn)單例模式的時(shí)候，static成員函數(shù)與static成員變量得到了使用，下面是一種稱為”餓漢式“的單例模式的實(shí)現(xiàn)：

class A
{
        public:
            static A& getInstance();
            setup(){...};
        private:
            A();
            A(const A & rhs);
            static A a;
}

這里把class A的構(gòu)造函數(shù)都設(shè)置為私有，不允許用戶代碼創(chuàng)建對象。要獲取對象實(shí)例需要通過接口getInstance?！别I漢式“缺點(diǎn)在于無論有沒有代碼需要a，a都被創(chuàng)建出來。下面是改進(jìn)的單例模式，稱為”懶漢式“：

class A
{
    public:
        static  A& getInstance();
        setup(){....};
    private:
        A();
        A(const A& rsh);
        ...
};
A& A::getInstance()
{
        static A a;
        return a;
}

“懶漢式”只有在真正需要a時(shí)，調(diào)用getInstance才創(chuàng)建出唯一實(shí)例。這可以看成一個(gè)具有拖延癥的單例模式，不到最后關(guān)頭不干活。很多設(shè)計(jì)都體現(xiàn)了這種拖延的思想，比如string的寫時(shí)復(fù)制，真正需要的時(shí)候才分配內(nèi)存給string對象管理的字符串。

編輯：黃飛