這篇文章是侯捷老師的C++面向對象進階程式設計的學習筆記的part1部分，主要介紹基于對象的設計，講述兩個經典的類complex類和string類。
C++筆記主要參考侯捷老師的課程，這是一份是C++面向對象程式設計（Object Oriented Programming）的part1部分，這一部分講述的是以良好的習慣構造C++類，基于對象（object based）講述了兩個c++類的經典執行個體——complex類和string類。看這份筆記需要有c++和c語言的基礎，有一些很基礎的不會解釋。
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目錄
- C++曆史
- C++的組成
- C++ 與 C 的資料和函數差別
- 基于對象與面向對象的差別
- C++類的兩個經典分類
- 頭檔案防衛式聲明
- 頭檔案的布局
- 類的聲明
- 類模闆簡介
- 内聯（inline）函數
- 通路級别
- 函數重載
- 構造函數的位置
- 參數傳遞
- 傳回值傳遞
- 友元
- 操作符重載（一），this， cout
- 操作符重載（二）非成員函數，無this，臨時對象
- Big Three ---string class begin
- 構造函數與析構函數
- 拷貝構造與拷貝指派
- 生命期——堆，棧，靜态，全局
- 重探new與delete
- 探究動态配置設定過程的記憶體塊
- 動态配置設定array需要注意的問題
談到c++，課程首先過了一周遊史，c++是建立在c語言之上，最早期叫c++ with class，後來在1983年正式命名為c++，在1998年，c++98标志c++1.0誕生，c++03是c++的一次科技報告，加了一些新東西，c++11加入了更多新的東西，标志着c++2.0的誕生，然後後面接着出現c++14，c++17，到現在的c++20。
在c語言中，資料和函數是分開的，構造出的都是一個變量，函數通過變量進行操作，而在c++中，生成的是對象，資料和函數都包在對象中，資料和函數都是對象的成員，這是說得通，一個對象所具有的屬性和資料應該放在一塊，而不是分開，并且C++類通常都是通過暴露接口隐藏資料的形式，讓使用者可以調用，更加安全與便捷。
下圖為part1兩個類的資料和函數分布，可以看看：
基于對象（Object Based）：面對的是單一class的設計
面向對象（Object Oriented）：面對的是多重classes 的設計，classes 和classes 之間的關系。
顯然，要寫好面向對象的程式，先基于對象寫出單個class是比不可少的。
一個是沒有指針的類，比如将要寫的complex類，隻有實部和虛部，另一個就是帶有指針的類，比如将要寫的另一個類string，資料内部隻有一個指針，采用動态配置設定記憶體，該指針就指向動态配置設定的記憶體。
從這開始介紹complex類，首先是防衛式聲明，與c語言一樣，防止頭檔案重複包含，上面是經典寫法，還有一個
# pragma once
的寫法，兩者的差別可以參考這篇部落格。
首先是防衛式聲明，然後是前置聲明（聲明要建構的類，這個例子中還有友元函數），類聲明中主要寫出這個類的成員資料以及成員函數，類定義部分則是将類聲明中的成員函數進行實作。
這裡的complex類是侯捷老師從c++标準庫中截取的一段代碼，足夠說明問題，complex類主體分為public和private兩部分，public放置的是類的初始化，以及複數實虛部通路和運算操作等等。private中主要防止類的資料，目的就是要隐藏資料，隻暴露public中的接口，private中有double類型的實虛部，以及一個友元函數，這個友元函數實作的是複數的相加，将用于public中的+=操作符重載中，在public中，有四個函數，第一個是構造函數，目的是初始化複數，實虛部預設值為0，當傳入實虛部時，後面的清單初始化會對private中的資料進行初始化，非常推薦使用清單初始化資料。第二個是重載複數的+=操作符，應該系統内部沒有定義複數運算操作符，是以需要自己重載定義。第三個和第四個是分别通路複數的實部和虛部，可以看到在第一個大括号前面有一個const，這個原因将在後面講述（加粗提醒自己），隻要不改變成員資料的函數，都需要加上const，這是規範寫法。
由于我們不光是想建立double類型的複數，還想建立int類型的複數，愚蠢的想法是在實作一遍int類的complex，這時候類模闆派出用場了，模闆是一個很大的話題，侯捷老師有一個專門課程講模闆，筆記也會更新到那裡。模闆可以隻寫一份模闆代碼，需要生成不同類型的class，編譯器會自動生成，具體做法是在類定義最上方加入template ，然後講所有的double都換成T即可，在初始化的時候，在類的後面使用尖括号，尖括号中放入你想要生成的類型即可。
内聯函數和普通函數的差別在于：當編譯器處理調用内聯函數的語句時，不會将該語句編譯成函數調用的指令，而是直接将整個函數體的代碼插人調用語句處，就像整個函數體在調用處被重寫了一遍一樣。是一種空間換取時間的做法，當函數的行數隻有幾行的時候，應該将函數設定為内聯，提高程式整體的運作效率。更加詳細的說明可以參考這篇文章. （補充：在類的内部實作的函數編譯器會自動變為inline，好像現在新的編譯器可以自動對函數進行inline，無需加inline，即使加了編譯器也未必真的會把函數變為inline，看編譯器的判斷)
這裡上面說過，private内部的函數和成員變量是不能被對象調用的，可以通過public提供的接口對資料進行通路。
c++中允許“函數名”相同，但函數參數需要不同（參數後面修飾函數的const也算是參數的一部分），這樣可以滿足不同類型參數的應用。上述中就有不同的real，不必擔心它們名字相同而反正調用混亂，相同函數名和不同參數，編譯器編譯後的實際名稱會不一樣，實際調用名并不一樣，是以在開始的函數名打了引号。另外，寫相同函數名還是要注意一下，比如上面有兩個構造函數，當使用complex c1初始化對象時，編譯器不知道調用哪一個構造函數，因為兩個構造函數都可以不用參數，這就發生沖突了，第二個構造函數是不需要的。
一般情況下，構造函數都放在public裡面，不然外界無法初始化對象，不過也有例外的，有一種單例設計模式，就将構造函數放入在private裡面，通過public靜态（static）函數進行生成對象，這個類隻能建立一份對象，是以叫單例設計模式
參數傳遞分為兩種：pass-by-value和pass-by-reference
一條非常考驗你是否受過良好c++訓練就是看你是不是用pass-by-reference。傳值會配置設定局部變量，然後将傳入的值拷貝到變量中，這既要花費時間又要花費記憶體，傳引用就是傳指針，4個位元組，要快好多，如果擔心傳入的值被改變，在引用前加const，如果函數試圖改變，就會報錯。
與參數傳遞一樣，傳回值傳引用速度也會很快，但有一點是不能傳引用的，如果你想傳回的是函數内的局部變量，傳引用後，函數所配置設定的記憶體清空，引用所指的局部變量也清空了，空指針出現了，這就很危險了。（引用本質上就是指針，主要用在參數傳遞和傳回值傳遞）
友元函數是類的朋友，被設定為友元的函數可以通路朋友的私有成員，這個函數（do assignment plus）用來做複數加法的具體實作。第一個參數是複數的指針，這個會在this一節中進行說明。
另外還有一種情況很有意思，如下圖所示，複數c2可以通路c1的資料，這個也是可以的，這可能讓人感到奇怪，侯捷老師說了原因：相同類的各個對象互為友元。是以可以c2可以通路c1的資料。
上面介紹的
__doapl
函數将在操作符重載中進行調用，可以看到第一個參數是this，對于成員函數來說，都有一個隐藏參數，那就是this，this是一個指針，指向調用這個函數的對象，而操作符重載一定是作用在左邊的對象，是以+=的操作符作用在c2上，是以this指向的是c2這個對象，然後在
__doapl
函數中修改this指向c2的值。
另外，還記得上面說過
<<
運算符重載嘛，它作用的不是複數，而是ostream，這是處于使用者習慣的考量，作用複數的話将形成
complex<<cout
的用法，這樣很不習慣，用于ostream就跟平常使用的cout一樣，另外，下面這個函數傳回的引用，那麼就可以構成
cout << c2 << c1
這種連串列印的程式（與平常的習慣，
cout << c2
傳回的依然是cout的引用，又可以調用
<<
重載函數，如果不是引用，則會報錯，侯捷老師講到這，真感覺标準庫的設計真是厲害。另外，每次向os傳入值列印時，os的狀态會發生改變，是以os不能加const。上面複數的加法由于傳回的是引用，也可以構成
c3 += c2 += c1
這樣的程式。
由于使用者可能有多種複數的加法，是以要設計不同的函數滿足使用者的要求，由于帶有其他類型的參數，是以沒有放入complex類中，放在外面定義，這裡的有一個非常有趣的使用，傳回的直接是complex（ xx， xx），沒見過呢，這個文法是建立一個臨時對象，這個臨時對象在下一行就消亡了，不過沒關系，我們已經把臨時對象的值傳到傳回值了。由于是臨時對象，是以傳回值不能是引用，必須是值。
好了，complex的相關細節寫得差不多，有些沒寫，上面都提到了，還有些操作符重載，與加法類似，不重複寫了。具體參考
complex.h
，下面進入string類的實作。
與complex一樣，string類的整個實作分布如上圖，右邊的是測試的程式。
下面來看看string的縮小版實作：
由于字元串不像複數那樣固定大小，而是可大可小，是以在實作string類的時候，私有資料是一個指針，指向動态配置設定的char數組，這樣就可以實作類似動态字元串大小。這個小章節叫big three，這裡的big three分别是，拷貝構造（String(const String & str) )，拷貝指派（String& operator=(const String& str))，以及析構函數（ ~String()) 。為什麼要有big three，這個馬上就會介紹。
在構造函數中，如果沒有傳入字元串，則string申請動态配置設定一個char[1], 指向的就是
'\0'
，也就是空字元，如果傳入的是
“hello”
, 則動态配置設定
“hello”
的長度再加一(一代表結束辨別符'\0')，都是用string内部的指針指向動态分布的記憶體的頭部。為什麼多了一個析構函數呢？在complex類為啥沒有呢？這是因為complex中沒有進行動态配置設定記憶體，在複數死亡後，它所占用的記憶體全部釋放，完全ok，但string類動态配置設定了記憶體，這份記憶體在對象的外部，不釋放記憶體的話，在對象死亡後依然存在，這就造成記憶體洩漏，是以需要建構一個析構函數，在對象死亡釋放動态配置設定的記憶體。動态配置設定使用的時new指令，傳回的是配置設定出來的記憶體的首位址，釋放動态配置設定記憶體使用delete指令，如果配置設定的是數組對象，則需要在delete後加上[]，如果是單個，直接delete指向的指針即可。上面就有兩種情況的執行個體。
complex類其實内部存在c++語言自身提供的拷貝構造和拷貝指派，不需要自己寫，因為沒有指針的類的資料指派無非就是值傳遞，沒有變化。但string類不一樣，上面的圖是很好的例子，因為使用的是動态配置設定記憶體，對象a和對象b都指向外面的一塊記憶體，如果直接使用預設的拷貝構造或者拷貝指派（例如将b = a），則是将b的指針指向a所指的區域，也就是a的動态配置設定記憶體的首位址，原來b所指向的記憶體就懸空了，于是發生記憶體洩漏，而且兩個指針指向同一塊記憶體，也是一個危險行為。是以帶有指針的類是不能使用預設的拷貝構造和拷貝指派的，需要自己寫。下面看看怎麼寫的。
首先是拷貝構造，由于是構造函數一種，跟之前的構造函數一樣，需要配置設定一塊記憶體，大小為要拷貝的string的長度+1，然後使用C語言自帶的strcpy進行逐個指派。
上面這個拷貝指派，首先檢查是不是自我指派，隻要有這種情況發生，就要考慮，自我指派則直接傳回this所指的對象就可以了，如果不是自我指派，則删除配置設定的記憶體，重新配置設定記憶體，長度為傳入字元串的長度+1，同理使用strcpy函數進行逐個指派。
自我指派的檢查很重要，沒有自我檢查，就會發生上面的情況，一運作程式的第一句話，記憶體就釋放了，指針就又懸空了，不确定行為産生。
string剩餘一點放到這裡面，列印直接調用get_c_str成員函數就可以，傳回指針，os會周遊它所指向的記憶體，列印出字元串，遇到
'\0'
終止。
c1 便是所謂stack object，其生命在作用域(scope) 結束之際結束。這種作用域內的object，又稱為auto object，因為它會被「自動」清理。p所指的便是heap object，其生命在它被deleted 之際結束，是以要在指針生命結束之前對堆記憶體進行釋放。
上面的c2和c3分别是靜态對象和全局對象，作用域為整個程式。以下是它們四個的記憶體分布，更具體的細節可以參考這篇文章。
可以到使用new指令動态配置設定記憶體，主要有以下三步，首先配置設定要建構對象的記憶體，傳回的是一個空指針，然後對空指針進行轉型，轉成要生成對象類型初始化給指針，然後指針調用構造函數初始化對象。
可以看到delete操作可以分為兩步，首先通過析構函數釋放配置設定的記憶體，然後通過操作符delete（内部調用free函數）釋放對象記憶體。
上圖中就是vc建立complex類以及string類的記憶體塊圖，左邊兩個是complex類，長的那個是調試（debug）模式下的記憶體塊分布，短的那個是執行（release）模式下的記憶體塊分布，複數有兩個double，是以記憶體占用8個位元組，vc調試模式下，調試的資訊部分記憶體占用是上面灰色塊的32個位元組以及下面灰色塊的4個位元組，紅色的代表記憶體塊的頭和尾（叫cookie），占用八個位元組，合在一起是52個位元組，vc會以16個位元組對齊，是以會填充12位元組，對應的是pad的部分，另外，為了凸顯這是配置設定出去的記憶體，是以在頭尾部分，用最後一位為1代表該記憶體配置設定出去了，為0就是收回來了。執行模式下沒有調試資訊。string類類似分析。
上面是動态配置設定記憶體，生成complex類的數組以及string類的數組的記憶體塊圖，與上面類似，不過這裡多了一個長度的位元組，都為3，标記對象的個數。
上面說明的是，如果配置設定的是動态對象數組，就一定要在delete後面加上[]符号，不然就無法完全釋放動态配置設定的記憶體。array new一定要搭配array delete。
part1到此結束。