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本文是 C++ 类和对象系列的完结篇，重点讲解初始化列表、类型转换、static 成员、友元、内部类、匿名对象以及编译器对对象拷贝的优化。这些内容是深入理解 C++ 对象模型的关键。

一、再探构造函数：初始化列表

1.1 什么是初始化列表

之前实现构造函数时，初始化成员变量主要使用函数体内赋值。构造函数初始化还有另一种方式——初始化列表。

使用方式：以一个冒号开始，接着是一个以逗号分隔的数据成员列表，每个"成员变量"后面跟一个放在括号中的初始值或表达式。

cpp

class Time { public: Time(int hour) :_hour(hour) // 初始化列表 { cout << "Time()" << endl; } private: int _hour; };

1.2 初始化列表的 7 大要点

1. 每个成员变量在初始化列表中只能出现一次。语法理解上，初始化列表可以认为是每个成员变量定义初始化的地方。

2. 必须放在初始化列表位置进行初始化的成员：

   • 引用成员变量

   • const 成员变量

   • 没有默认构造的类类型变量

   否则会编译报错。

3. C++11 支持在成员变量声明的位置给缺省值，这个缺省值主要是给没有显式在初始化列表初始化的成员使用的。

4. 尽量使用初始化列表初始化，因为那些你不在初始化列表初始化的成员也会走初始化列表：

   • 如果这个成员在声明位置给了缺省值，初始化列表会用这个缺省值初始化。

   • 如果没有给缺省值，对于没有显式在初始化列表初始化的内置类型成员，是否初始化取决于编译器，C++ 并没有规定。

   • 对于没有显式在初始化列表初始化的自定义类型成员，会调用这个成员类型的默认构造函数；如果没有默认构造会编译错误。

5. 初始化列表中按照成员变量在类中声明顺序进行初始化，跟成员在初始化列表出现的先后顺序无关。建议声明顺序和初始化列表顺序保持一致。

6. 静态成员变量不能在声明位置给缺省值初始化，因为缺省值是给构造函数初始化列表的，静态成员变量不属于某个对象，不走构造函数初始化列表。

7. 总结：

   • 无论是否显式写初始化列表，每个构造函数都有初始化列表。

   • 无论是否在初始化列表显式初始化成员变量，每个成员变量都要走初始化列表初始化。

1.3 代码示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; class Time { public: Time(int hour) :_hour(hour) { cout << "Time()" << endl; } private: int _hour; }; class Date { public: Date(int& x, int year = 1, int month = 1, int day = 1) :_year(year) ,_month(month) ,_day(day) ,_t(12) ,_ref(x) ,_n(1) { // error C2512: "Time": 没有合适的默认构造函数可用 // error C2530 : "Date::_ref" : 必须初始化引用 // error C2789 : "Date::_n" : 必须初始化常量限定类型的对象 } void Print() const { cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl; } private: int _year; int _month; int _day; Time _t; // 没有默认构造 int& _ref; // 引用 const int _n; // const }; int main() { int i = 0; Date d1(i); d1.Print(); return 0; }

1.4 声明位置给缺省值

cpp

#include<iostream> using namespace std; class Time { public: Time(int hour) :_hour(hour) { cout << "Time()" << endl; } private: int _hour; }; class Date { public: Date() :_month(2) { cout << "Date()" << endl; } void Print() const { cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl; } private: // 注意这里不是初始化，这里给的是缺省值，这个缺省值是给初始化列表的 // 如果初始化列表没有显式初始化，默认就会用这个缺省值初始化 int _year = 1; int _month = 1; int _day; Time _t = 1; const int _n = 1; int* _ptr = (int*)malloc(12); }; int main() { Date d1; d1.Print(); return 0; }

1.5 经典面试题

下面程序的运行结果是什么？

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { public: A(int a) :_a1(a) , _a2(_a1) {} void Print() { cout << _a1 << " " << _a2 << endl; } private: int _a2 = 2; int _a1 = 2; }; int main() { A aa(1); aa.Print(); }

选项：

• A. 输出 1 1

• B. 输出 2 2

• C. 编译报错

• D. 输出 1 随机值

• E. 输出 1 2

• F. 输出 2 1

答案：D、输出 1 随机值

解析：初始化列表中按照成员变量在类中声明顺序进行初始化，跟成员在初始化列表出现的先后顺序无关。

• _a2先声明，所以先初始化_a2，而_a2(_a1)中的_a1此时还未初始化，是随机值。

• 然后初始化_a1，_a1(a)，所以_a1 = 1。

• 结果：_a1 = 1，_a2 = 随机值。

二、类型转换

2.1 类型转换的规则

• C++ 支持内置类型隐式类型转换为类类型对象，需要有相关内置类型为参数的构造函数。

• 构造函数前面加explicit就不再支持隐式类型转换。

• 类类型的对象之间也可以隐式转换，需要相应的构造函数支持。

2.2 代码示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { public: // 构造函数explicit就不再支持隐式类型转换 // explicit A(int a1) A(int a1) :_a1(a1) {} //explicit A(int a1, int a2) A(int a1, int a2) :_a1(a1) , _a2(a2) {} void Print() { cout << _a1 << " " << _a2 << endl; } int Get() const { return _a1 + _a2; } private: int _a1 = 1; int _a2 = 2; }; class B { public: B(const A& a) :_b(a.Get()) {} private: int _b = 0; }; int main() { // 1构造一个A的临时对象，再用这个临时对象拷贝构造aa3 // 编译器遇到连续构造+拷贝构造->优化为直接构造 A aa1 = 1; aa1.Print(); const A& aa2 = 1; // C++11之后才支持多参数转化 A aa3 = { 2,2 }; // aa3隐式类型转换为b对象 // 原理跟上面类似 B b = aa3; const B& rb = aa3; return 0; }

三、static 成员

3.1 static 成员变量

• 用static修饰的成员变量，称之为静态成员变量，静态成员变量一定要在类外进行初始化。

• 静态成员变量为所有类对象所共享，不属于某个具体的对象，不存在对象中，存放在静态区。

• 静态成员变量不能在声明位置给缺省值初始化，因为缺省值是给构造函数初始化列表的，静态成员变量不属于某个对象，不走构造函数初始化列表。

3.2 static 成员函数

• 用static修饰的成员函数，称之为静态成员函数，静态成员函数没有 this 指针。

• 静态成员函数中可以访问其他的静态成员，但是不能访问非静态的，因为没有 this 指针。

• 非静态的成员函数，可以访问任意的静态成员变量和静态成员函数。

• 突破类域就可以访问静态成员，可以通过类名::静态成员或者对象.静态成员来访问。

• 静态成员也是类的成员，受 public、protected、private 访问限定符的限制。

3.3 示例：计算程序中创建了多少个类对象

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { public: A() { ++_scount; } A(const A& t) { ++_scount; } ~A() { --_scount; } static int GetACount() { return _scount; } private: // 类里面声明 static int _scount; }; // 类外面初始化 int A::_scount = 0; int main() { cout << A::GetACount() << endl; A a1, a2; A a3(a1); cout << A::GetACount() << endl; cout << a1.GetACount() << endl; // 编译报错：error C2248: "A::_scount": 无法访问 private 成员(在"A"类中声明) //cout << A::_scount << endl; return 0; }

3.4 实战：求 1+2+3+...+n

题目来源：牛客网 - 求1+2+3+...+n

cpp

class Sum { public: Sum() { _ret += _i; ++_i; } static int GetRet() { return _ret; } private: static int _i; static int _ret; }; int Sum::_i = 1; int Sum::_ret = 0; class Solution { public: int Sum_Solution(int n) { // 变长数组 Sum arr[n]; return Sum::GetRet(); } };

思路：利用构造函数自动调用的特性，创建n个Sum对象，每次构造累加_i到_ret，最终返回_ret。

四、友元

4.1 友元的概念

友元提供了一种突破类访问限定符封装的方式。友元分为：友元函数和友元类，在函数声明或者类声明的前面加friend，并且把友元声明放到一个类的里面。

4.2 友元的 8 大特点

1. 外部友元函数可访问类的私有和保护成员，友元函数仅仅是一种声明，它不是类的成员函数。

2. 友元函数可以在类定义的任何地方声明，不受类访问限定符限制。

3. 一个函数可以是多个类的友元函数。

4. 友元类中的成员函数都可以是另一个类的友元函数，都可以访问另一个类中的私有和保护成员。

5. 友元类的关系是单向的，不具有交换性，比如 A 类是 B 类的友元，但是 B 类不是 A 类的友元。

6. 友元类关系不能传递，如果 A 是 B 的友元，B 是 C 的友元，但是 A 不是 C 的友元。

7. 有时提供了便利。但是友元会增加耦合度，破坏了封装，所以友元不宜多用。

4.3 友元函数示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; // 前置声明，否则A的友元函数声明编译器不认识B class B; class A { // 友元声明 friend void func(const A& aa, const B& bb); private: int _a1 = 1; int _a2 = 2; }; class B { // 友元声明 friend void func(const A& aa, const B& bb); private: int _b1 = 3; int _b2 = 4; }; void func(const A& aa, const B& bb) { cout << aa._a1 << endl; cout << bb._b1 << endl; } int main() { A aa; B bb; func(aa, bb); return 0; }

4.4 友元类示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { // 友元声明 friend class B; private: int _a1 = 1; int _a2 = 2; }; class B { public: void func1(const A& aa) { cout << aa._a1 << endl; cout << _b1 << endl; } void func2(const A& aa) { cout << aa._a2 << endl; cout << _b2 << endl; } private: int _b1 = 3; int _b2 = 4; }; int main() { A aa; B bb; bb.func1(aa); bb.func1(aa); return 0; }

五、内部类

5.1 内部类的概念

• 如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。

• 内部类是一个独立的类，跟定义在全局相比，它只是受外部类类域限制和访问限定符限制，所以外部类定义的对象中不包含内部类。

• 内部类默认是外部类的友元类。

• 内部类本质也是一种封装，当 A 类跟 B 类紧密关联，A 类实现出来主要就是给 B 类使用，那么可以考虑把 A 类设计为 B 的内部类。如果放到 private/protected 位置，那么 A 类就是 B 类的专属内部类，其他地方都用不了。

5.2 代码示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { private: static int _k; int _h = 1; public: class B // B默认就是A的友元 { public: void foo(const A& a) { cout << _k << endl; // OK cout << a._h << endl; // OK } int _b1; }; }; int A::_k = 1; int main() { cout << sizeof(A) << endl; // 4，外部类对象不包含内部类 A::B b; A aa; b.foo(aa); return 0; }

5.3 实战：求 1+2+3+...+n（内部类版本）

cpp

class Solution { // 内部类 class Sum { public: Sum() { _ret += _i; ++_i; } }; static int _i; static int _ret; public: int Sum_Solution(int n) { // 变长数组 Sum arr[n]; return _ret; } }; int Solution::_i = 1; int Solution::_ret = 0;

六、匿名对象

6.1 匿名对象的概念

• 用类型(实参)定义出来的对象叫做匿名对象。

• 相比之前定义的类型 对象名(实参)定义出来的叫有名对象。

• 匿名对象生命周期只在当前一行，一般临时定义一个对象当前用一下即可，就可以定义匿名对象。

6.2 代码示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { public: A(int a = 0) :_a(a) { cout << "A(int a)" << endl; } ~A() { cout << "~A()" << endl; } private: int _a; }; class Solution { public: int Sum_Solution(int n) { //... return n; } }; int main() { A aa1; // 不能这么定义对象，因为编译器无法识别下面是一个函数声明，还是对象定义 //A aa1(); // 但是我们可以这么定义匿名对象，匿名对象的特点不用取名字， // 但是他的生命周期只有这一行，我们可以看到下一行他就会自动调用析构函数 A(); A(1); A aa2(2); // 匿名对象在这样场景下就很好用，当然还有一些其他使用场景 Solution().Sum_Solution(10); return 0; }

七、对象拷贝时的编译器优化

7.1 优化规则

• 现代编译器会为了尽可能提高程序的效率，在不影响正确性的情况下会尽可能减少一些传参和传返回值过程中可以省略的拷贝。

• 如何优化 C++ 标准并没有严格规定，各个编译器会根据情况自行处理。

• 当前主流的相对新一点的编译器对于连续一个表达式步骤中的连续拷贝会进行合并优化，有些更新更"激进"的编译器还会进行跨行跨表达式的合并优化。

• Linux 下可以将下面代码拷贝到test.cpp文件，编译时用g++ test.cpp -fno-elide-constructors的方式关闭构造相关的优化。

7.2 代码示例

cpp

#include<iostream> using namespace std; class A { public: A(int a = 0) :_a1(a) { cout << "A(int a)" << endl; } A(const A& aa) :_a1(aa._a1) { cout << "A(const A& aa)" << endl; } A& operator=(const A& aa) { cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl; if (this != &aa) { _a1 = aa._a1; } return *this; } ~A() { cout << "~A()" << endl; } private: int _a1 = 1; }; void f1(A aa) {} A f2() { A aa; return aa; } int main() { // 传值传参 // 构造+拷贝构造 A aa1; f1(aa1); cout << endl; // 隐式类型，连续构造+拷贝构造->优化为直接构造 f1(1); // 一个表达式中，连续构造+拷贝构造->优化为一个构造 f1(A(2)); cout << endl; cout << "***********************************************" << endl; // 传值返回 // 不优化的情况下传值返回，编译器会生成一个拷贝返回对象的临时对象作为函数调用表达式的返回值 // 无优化 （vs2019 debug） // 一些编译器会优化得更厉害，将构造的局部对象和拷贝构造的临时对象优化为直接构造（vs2022 debug） f2(); cout << endl; // 返回时一个表达式中，连续拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造 （vs2019 debug） // 一些编译器会优化得更厉害，进行跨行合并优化，将构造的局部对象aa和拷贝的临时对象 // 和接收返回值对象aa2优化为一个直接构造。（vs2022 debug） A aa2 = f2(); cout << endl; // 一个表达式中，开始构造，中间拷贝构造+赋值重载->无法优化（vs2019 debug） // 一些编译器会优化得更厉害，进行跨行合并优化，将构造的局部对象aa和拷贝临时对象合 // 并为一个直接构造（vs2022 debug） aa1 = f2(); cout << endl; return 0; }

7.3 优化场景总结

八、总结

类和对象三篇总结：

• 上篇：类的定义、访问限定符、类域、实例化、对象大小、this 指针

• 中篇：六大默认成员函数（构造、析构、拷贝构造、赋值重载、const 成员函数、取地址重载）

• 下篇：初始化列表、类型转换、static 成员、友元、内部类、匿名对象、编译器优化

至此，C++ 类和对象的核心内容就全部讲完了。下一阶段将进入 C++ 内存管理、模板、STL 等内容，敬请期待！

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