靜態(tài)成員和友元

靜態(tài)成員和友元引入考慮一個(gè)學(xué)生管理系統(tǒng)，有時(shí)候需要向系統(tǒng)添加一個(gè)學(xué)生，有時(shí)候需要從系統(tǒng)中刪除一個(gè)學(xué)生。我們希望能夠隨時(shí)顯示該系統(tǒng)中的所有學(xué)生，并且能夠隨時(shí)獲取系統(tǒng)中的學(xué)生總數(shù)。使用鏈表來存儲(chǔ)所有的學(xué)生。要求在一個(gè)常數(shù)時(shí)間內(nèi)得到系統(tǒng)中的學(xué)生總數(shù)。第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.1靜態(tài)成員－背景使用類數(shù)據(jù)成員保存鏈表頭指針和學(xué)生總數(shù)的作法是不可取的，因?yàn)槊總€(gè)該類的對(duì)象都擁有一份副本，需要花費(fèi)精力來維護(hù)這些副本的一致性(這些副本必須完全相同)。設(shè)置全局變量來保存鏈表頭指針和學(xué)生總數(shù)的作法可行，但是不夠安全，因?yàn)槌绦虻娜魏蔚胤蕉伎梢孕薷倪@兩個(gè)變量(導(dǎo)致程序的行為異常)?！狙菔尽康?頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.1靜態(tài)成員－引入可以使用靜態(tài)成員解決上述問題。靜態(tài)成員包括兩種：靜態(tài)數(shù)據(jù)成員：使用關(guān)鍵字static修飾的數(shù)據(jù)成員。靜態(tài)成員函數(shù)：使用關(guān)鍵字static修飾的成員函數(shù)。補(bǔ)充：C語言中使用static關(guān)鍵字描述了變量或者函數(shù)的可見性。全局靜態(tài)變量/對(duì)象是只在當(dāng)前源文件中可見的全局變量或者對(duì)象。示例不同源文件中可以定義同名的全局靜態(tài)變量，但是各自占用的內(nèi)存不同。局部靜態(tài)變量/對(duì)象是只在函數(shù)局部作用域內(nèi)可見的變量或者對(duì)象，其生存期等于程序的生存期。靜態(tài)函數(shù)是只在當(dāng)前源文件中可見的函數(shù)。不同源文件中可以定義同名的靜態(tài)函數(shù)。示例第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.2靜態(tài)數(shù)據(jù)成員使用static關(guān)鍵字修飾數(shù)據(jù)成員。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員不屬于該類的任何對(duì)象，而是由該類的所有對(duì)象共享。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員是屬于類的，而不是屬于對(duì)象的。一個(gè)類的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員只有一個(gè)，無論該類目前有多少個(gè)對(duì)象。公有的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員可以在程序的任何地方訪問，非公有的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員只能在類的作用域內(nèi)或者友元中訪問。classStudent{

…private:charm_name[20];Student*m_pNext;Student*m_pPrev;

staticStudent*m_pListHead;};第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.2靜態(tài)數(shù)據(jù)成員－訪問在類的成員函數(shù)中可以直接訪問此類的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員，無需使用任何成員訪問算符(.和->)。在非成員函數(shù)中可以以兩種方式訪問一個(gè)類的公有靜態(tài)數(shù)據(jù)成員。通過該類的對(duì)象，使用.和->算符訪問使用類名限定的成員名來訪問Student::Student(char*name):m_pNext(NULL),m_pPrev(NULL){

…//每構(gòu)造一個(gè)對(duì)象,學(xué)生總

//數(shù)應(yīng)該加1++s_nStudentCount;}Students(“aa”);Studentt(“bb”);cout<<s.s_nCount;//OKcout<<t.s_nCount;//OKcout<<Student::s_nCount;//OK//以下斷言成立assert(&s.s_nCount==&t.s_nCount);assert(&s.s_nCount==&Student::s_nCount);第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.2靜態(tài)數(shù)據(jù)成員－唯一性一個(gè)對(duì)象占用空間的大小和靜態(tài)數(shù)據(jù)成員大小無關(guān)，換句話說：一個(gè)對(duì)象占用空間的大小是由該類所有非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員大小之和決定的。默認(rèn)的拷貝構(gòu)造行為會(huì)拷貝靜態(tài)成員嗎？靜態(tài)數(shù)據(jù)成員所占用的空間不會(huì)隨著對(duì)象的產(chǎn)生而分配，也不會(huì)隨著對(duì)象的銷毀而回收。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員具有靜態(tài)生存期。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員保存在程序的全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)中。在main函數(shù)開始運(yùn)行之前就已經(jīng)準(zhǔn)備好了。在main函數(shù)返回之后結(jié)束其生存期。第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天classStudent{public:Student(char*name);~Student();private:charm_name[20];Student*m_pNext;Student*m_pPrev;

staticStudent*s_pListHead;};voidmain(){Student*p1=newStudent(“a”);Student*p2=newStudent(“b”);Student*p3=newStudent(“c”);…}Heap“aaaa”m_pNextm_pPrev“bbbb”m_pNextm_pPrev“cccc”m_pNextm_pPrev全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)s_pListHeadStackp3p2p1OS運(yùn)行狀態(tài)第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.2靜態(tài)數(shù)據(jù)成員－初始化類定義中只是聲明了靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的存在(不會(huì)為其分配空間)，還需要定義該靜態(tài)數(shù)據(jù)成員(為其分配內(nèi)存空間)。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的定義不能放在頭文件中，否則當(dāng)多個(gè)源文件都包含該頭文件時(shí)，將產(chǎn)生重復(fù)定義的鏈接錯(cuò)誤。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的定義應(yīng)該放在源文件中。定義和初始化靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的語法：<靜態(tài)數(shù)據(jù)成員類型><類名>::<靜態(tài)數(shù)據(jù)成員名>=<值>;<靜態(tài)數(shù)據(jù)成員類型><類名>::<靜態(tài)數(shù)據(jù)成員名>(<值>);第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天靜態(tài)成員的初始化//Student.hclassStudent{public:Student(char*name);~Student();private:charm_name[20];Student*m_pNext;Student*m_pPrev;

staticStudent*s_pListHead;staticint s_nCount;};//Student.cpp#include“student.h”Student*Student::s_pListHead=NULL;intStudent::s_nCount=0;Student::Student(char*name){

…}Student::~Student(){

…}第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.2靜態(tài)數(shù)據(jù)成員靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的類型可以是其所屬類，而非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員只能聲明為該類對(duì)象的指針或者引用。classStudent{public:

…private: staticStudents_leader;//OK Student*m_pLeader;//OK Studentm_leader;//ERROR};靜態(tài)數(shù)據(jù)成員從其行為上看和全局對(duì)象類似，但是使用靜態(tài)數(shù)據(jù)成員可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏，靜態(tài)數(shù)據(jù)成員可以是private的，全局對(duì)象則不能。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員不會(huì)和全局變量發(fā)生名字沖突。第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.2靜態(tài)數(shù)據(jù)成員－勘誤教材P335的例子前的描述是不準(zhǔn)確的。如果說s.nextStudent未被執(zhí)行，則程序運(yùn)行的結(jié)果應(yīng)該是0。實(shí)際上此段代碼在VC6，VC.NET中的運(yùn)行結(jié)果都是1；在Dev-C++環(huán)境中的運(yùn)行結(jié)果是0；說明不同的編譯器會(huì)對(duì)此段代碼產(chǎn)生不同的結(jié)果。所以在實(shí)際編程中，應(yīng)該總是使用::的方式來訪問靜態(tài)數(shù)據(jù)成員?！狙菔?】第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.3靜態(tài)成員函數(shù)－引入使用static關(guān)鍵字修飾的成員函數(shù)。靜態(tài)成員函數(shù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)成員類似，不屬于任何對(duì)象，而是屬于類的。只要類存在就可以使用其靜態(tài)成員函數(shù)，與該類當(dāng)前是否創(chuàng)建過對(duì)象或者創(chuàng)建了幾個(gè)對(duì)象無關(guān)。靜態(tài)成員函數(shù)的定義和非靜態(tài)的成員函數(shù)定義一樣，在靜態(tài)成員函數(shù)定義時(shí)不能使用static。第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天//Student.hclassStudent{public:Student(char*name);~Student();char*GetName();

staticvoidPrintAllStudents();private:charm_name[20];Student*m_pNext;Student*m_pPrev;

staticStudent*m_pListHead;};//Student.cpp#include“student.h”Student*Student::m_pListHead=NULL;Student::Student(char*name){…}Student::~Student(){…}voidStudent::PrintAllStudents(){…}第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.3靜態(tài)成員函數(shù)－對(duì)象無關(guān)靜態(tài)成員函數(shù)不與任何對(duì)象相聯(lián)系，因而靜態(tài)成員函數(shù)沒有this指針，即調(diào)用靜態(tài)成員函數(shù)時(shí)不會(huì)隱含的傳遞this指針。因?yàn)殪o態(tài)成員函數(shù)沒有this指針，所以靜態(tài)成員函數(shù)不能聲明為const。因?yàn)殪o態(tài)成員函數(shù)沒有this指針，因此可以將其賦給一個(gè)函數(shù)指針。typedefvoid(*PROC)();PROCproc=Student::PrintAllStudent;第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.3靜態(tài)成員函數(shù)因?yàn)殪o態(tài)成員函數(shù)沒有this指針，所以在靜態(tài)成員函數(shù)中不能直接訪問類的非靜態(tài)成員，而必須通過該類的一個(gè)對(duì)象使用成員訪問算法訪問類的非靜態(tài)成員。在靜態(tài)成員函數(shù)中可以直接訪問類的其他靜態(tài)數(shù)據(jù)成員或者靜態(tài)成員函數(shù)(無論其是否公有)。在非靜態(tài)成員函數(shù)中可以直接調(diào)用該類的靜態(tài)成員函數(shù)。第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天//Student.cpp#include“student.h”…voidStudent::PrintAllStudents(){//直接訪問靜態(tài)成員，OKStudent*q=s_pListHead;while(q!=NULL){//通過對(duì)象訪問公有非靜態(tài)成員，OKcout<<q->GetName()<<endl;//通過對(duì)象訪問私有非靜態(tài)成員，OKcout<<q->m_name<<endl;//通過對(duì)象訪問私有非靜態(tài)成員，OKq=q->m_pNext;}}//Student.hclassStudent{public:Student(char*name);~Student();char*GetName(){returnm_name;}

staticvoidPrintAllStudents();private:charm_name[20];Student*m_pNext;Student*m_pPrev;

staticStudent*m_pListHead;};第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.3靜態(tài)成員函數(shù)－調(diào)用在類的作用域外調(diào)用類的靜態(tài)成員函數(shù)有兩種途徑：通過對(duì)象使用成員訪問算符訪問。

Students;s.PrintAllStudent();通過類名限定的函數(shù)名訪問，建議使用該方式，因?yàn)檫@種方式的調(diào)用更加明確的說明了此函數(shù)的歸屬，也不會(huì)出現(xiàn)教材P335頁可能存在的問題。

。

Student::PrintAllStudents();靜態(tài)成員函數(shù)從其行為上看更象是普通函數(shù)。不過靜態(tài)成員函數(shù)定義于類的作用域中，因而能夠任意訪問類的非公有成員。普通函數(shù)則不能訪問類的非公有成員。第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.4示例－對(duì)演示1的改進(jìn)使用靜態(tài)數(shù)據(jù)成員和靜態(tài)成員函數(shù)修改演示1的代碼。鏈表的頭指針和鏈表的長度設(shè)為靜態(tài)數(shù)據(jù)成員。將打印鏈表元素的函數(shù)設(shè)為Student類的靜態(tài)成員函數(shù)，從而使得PrintAllStudents從原來類功能的使用者變?yōu)榱祟惞δ艿奶峁┱?。【演示】?9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.4示例如何使一個(gè)類的對(duì)象只能在堆上建立？也就是說不能定義該類的全局對(duì)象，也不能定義該類的局部對(duì)象，而只能從堆中為對(duì)象分配內(nèi)存。將構(gòu)造函數(shù)聲明為私有可以防止類的使用者構(gòu)造此類的對(duì)象，但是同時(shí)也禁止了從堆上構(gòu)造對(duì)象。靜態(tài)成員函數(shù)能夠任意訪問此類的成員函數(shù)，包括構(gòu)造函數(shù)?！狙菔尽康?0頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.4示例如何使一個(gè)類只能創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象？將構(gòu)造函數(shù)聲明為私有可以防止類的使用者構(gòu)造此類的對(duì)象。靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的類型可以是其所屬類。演示單件(Singleton)是編程中的慣用手法。如一個(gè)系統(tǒng)中的權(quán)限控制類第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天//a.cppstaticintg_nCount;//此變量只能在a.cpp中使用voidAddToList(Node*pHead,Node*pToInsert){

…++g_nCount;}voidRemoveFromList(Node*pHead,Node*pToDelete){

…--g_nCount;}//b.cpp//errorC2159:morethanonestorageclassspecifiedexternstaticintg_nCount;externintg_nCount;voidPrintListLength(){

//errorLNK2001:unresolvedexternalsymbol"intg_nCount"

cout<<g_nCount<<endl;}第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天//a.cppintg_nCount;static

voidAddToList(Node*pHead,Node*pToInsert)//只在a.cpp中使用{

…++g_nCount;}voidRemoveFromList(Node*pHead,Node*pToDelete){

…--g_nCount;}//b.cppstaticvoidAddToList(Node*pHead,Node*pToInsert);voidAddToList(Node*pHead,Node*pToInsert);voidRemoveFromList(Node*pHead,Node*pToDelete);voidmain(){

…AddToList(p,q);//errorC2129:staticfunctiondeclaredbutnotdefined}AddToList(p,q);//errorLNK2001:unresolvedexternalsymbol‘AddToList’第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.5友元在類的作用域外不能訪問一個(gè)類的非公有成員。類可以聲明一個(gè)普通函數(shù)、其他類的成員函數(shù)或者另一個(gè)類為其友元，從而向友元暴露所有非公有成員。由于友元不是類的成員，故類中聲明友元的位置不受成員訪問限定符的影響，可以在public區(qū)，也可以在private區(qū)，效果完全一樣。友元聲明主要用于運(yùn)算符重載(后面的章節(jié)解釋)友元破壞了封裝性和數(shù)據(jù)隱藏，實(shí)際中應(yīng)盡量少用或者不用。第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天6.5友元－普通函數(shù)一個(gè)類可以在其類定義中聲明某個(gè)普通函數(shù)為其友元，從而使該函數(shù)可以任意訪問其非公有成員。在類中使用friend關(guān)鍵字聲明友元函數(shù)，格式為：friend<類型><友元函數(shù)名>(<參數(shù)表>);教材P344頁下面的代碼存在一處語法錯(cuò)誤，錯(cuò)在哪里？使用友元實(shí)現(xiàn)矩陣和矢量的乘法。classMatrix;classVector{

…

friendVectorMultiply(Matrix&,Vector&);};classMatrix{…friendVectorMultiply(Matrix&,Vector&);};第