C++中级培训教程.docx

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1、内部资料,注意保密C+中级培训敎程员培训中心编辑2005年6月 VI. 0华为技术华为技术有限公司前 言C+语言中级教材讲授C+语言的运用技术,包括:类、对象之间 的关系、对象的存储与布局、运算符重载、智能指针、仿函数、泛型编程, C+模式设计基本思想。NE002009cVl. 0业务与软件C+语言项目C+进阶第一章类、接口 71.1 Handle-Body与接口、抽象接口 71.2 多继承、与菱形缺陷、this跳转等131. 3C+多态的两种多态形式和区别18第二章重载182.1 函数重载192.2 运算符重载 20第三章模板293.1 模块函数 293.2 模块类313.3 STL标准模板

2、库34附录:参考资料 39前言我们在C+基础课程中已经了解了C+的些基本概念,知道了什么是类什么是对象。也了解 了继承、封装、多态等C+面向对象的基本特征,本课程主要是更进步探讨一下C+些基本模 型的应用，加深对概念的理解，由于课程时间有限，C+,模型和内容又如此之多，对任何个模 型都无法深入进去,所以只能泛泛而谈。第一章 类、接口学习要求:1、了解类的继承、封装等概念之间的关系2、了解什么是接口,什么是虚函数,它有什么样的 特点。学会使用接口编程的思想本章节主要介绍C+中的类、接口。类,包涵了 一组数据和一组基于数据上的 组方法。它描述了一个对象的属性、状态和行为;接口,它只是描述了一个对象

3、的简单 的行为。有关类的基本概念:Class namesClass membersMember FunctionsStatic Member FunctionsUnionsC+ Bit FieldsNested Class DeclarationsType Names in Class ScopeMultiple Base ClassesVirtual FunctionsAbstract ClassesControlling Access to Class Membersprivate Membersprotected Members public MembersAccess Specifie

4、rs for Base Classes, priavte, public protectedFriendsConstructorsDestructorsConversion Functionsthe new operator and the delete operatorCopying Constructor FunctionsInterface1. 1 Handle-Body与接口、抽象接口在C+中封装的概念是把个对象的外观接口同实际工作方式(实现)分离开来, 但是C+的封装是不完全的,编译器必须知道一个对象的所有部分的声明,以便创建和 管理它。我们可以想象一种只需声明一个对象的公共接口部分

5、的编程语言,而将私有的 实现部分隐藏起来。C + +在编译期间要尽可能多地做静态类型检査。这意味着尽早捕 获错误,也意味着程序具有更高的效率。然而这对私有的实现部分来说带来两个影响: 是即使程序员不能轻易地访问实现部分,但他可以看到它;是造成一些不必要的重 复编译。然而C+并没有将这个原则应用到二进制层次上,这是因为C+的类既是描述了 个接口同时也描述了实现的过程,示例如下:class CMyString(private:const int m_cch;char *m_psz;public:CMyString(const char *psz);-CMyStringO;int Length()

6、const;int Index(const char *psz) const;CMyStimg对外过多的暴露了内存布局实现的细节,这些信息过度的依赖于这些成员变 量的大小和顺序,从而导致了客户过度依赖于可执行代码之间的二进制耦合关系,这样 的接口不利于跨语言跨平台的软件开发和移植。1.1.1 Handle-Body 模式解决这个问题的技术有时叫句柄类(handle classes)或叫Cheshire Cat” 1 。 有关实现的任何东西都消失了,只剩个单一的指针“m_pThis”。该指针指向个结 构,该结构的定义与其所有的成员函数的定义样出现在实现文件中。这样,只要接口 部分不改变,头文件就

7、不需变动。而实现部分可以按需要任意更动,完成后只要对实现 文件进行重新编译,然后再连接到项目中。这里有这项技术的简单例子。头文件中只包含公共的接口和一个简单的没有完全 指定的类指针。class CMyStringHandle(private:class CMyString；CMyString *m_pThis;public:CMyStringHandle (const char *psz); CMyStringHandle ();int Length() const;int Index(const char *psz) const;)；CMyStringHandle: CMyStringHan

8、dle(const char *psz):m_pThis(new CMyString(psz);|)CMyStringHandle:- CMyStringHandle()delete m_pThis;)int CMyStringHandle:Length()return m_pThis-Length();)int CMyStringHandle:Index(const char *psz)(return m_pThis-Index(psz);这是所有客户程序员都能看到的。这行class CMyString；是个没有完全指定的类型说明或类声明(一 -个类的定义包含类的主体)。它告诉编译 器,Ch

9、eshire是个结构的名字,但没有提供有关该结构的任何东西。这对产生一个 指向结构的指针来说已经足够了。但我们在提供个结构的主体部分之前不能创建一个 对象。在这种技术里,包含具体实现的结构主体被隐藏在实现文件中。在设计模式中,这就叫做Handle-Body模式,Handle-Body只含有一个实体指针, 服务的数据成员永远被封闭在服务系统中。Handle-Body模式如下:classHandlem_pThis图1 Handle-Body模式(句柄类做为接口)Handle-Body的布局结构永远不会随着实现类数据成员的加入或者删除或者修改而导致Handle-Body的修改，即Handle-Bod

10、y协议不依赖于C+实现类的任何细节。这就有效的 对用户的编译器隐藏了这些斜街,用户在使用对这项技术时候,Handle-Body接口成了 它唯一的入口。然而Handle-Body模式也有自己的弱点:1、接口类必须把每个方法调用显示的传递给实现类,这在个只有一个构造 和一个析构的类来说显然不构成负担,但是如果个庞大的类库,它有上百 上千个方法时候,光是编写这些方法传递就有可能非常冗长,这也增加了出 错的可能性。2、对于关注于性能的应用每个方法都得有两层的函数调用,嵌套的开销也不 理想3、由于句柄的存在依然存在编译连接器兼容性问题。接口和实现分离的Handle-Body。1.1.2抽象接口使用了“接

11、口与实现的分离”技术的Handle-Body解决了编译器/链接器的大部 分问题,而C+面向对象编程中的抽象接口同样是运用了 “接口与实现分离”的思想， 而采用抽象接口对于解决这类问题是个极其完美的解决方案。1、抽象接口的语言描述:class IMyString！virtual int Length() const = 0; 这表示是个纯虚函数,具有纯虚函数的 接口virtual int Index(const char *psz) const = 0;2、抽象接口的内存结构：class图2抽象接口的内存布局3.4 抽象接口的实现代码:接口:class IMyStringvirtual int

12、Length() const = 0; 这表示是个纯虚函数,具有纯虚函数的接口virtual int Index(const char *psz) const = 0;)：实现:class CMyString： public IMyStringprivate:const int m_cch;char *m_psz;public:CMyString(const char *psz);virtual -CMyStringO;int Length() const;int Index(const char *psz) const;)从上面采用抽象接口的实例来看,抽象接口解决了Handle-Body所遗

13、留下来的全 部缺陷。抽象接口的个典型应用:return nw MMifScrolBar |抽象丿(AbstractFactroy)ItocFactoryCrteteScroi&ait) 0CnaaaQLJtMi)0CreeieMenuOArtum new MacScrolBa?PMFsctoryOetteScrrtfiart) OoteduttDn() 0return new PMScrMB耳Oei0MnuO o-图3抽象工厂模式1.2多继承与菱形缺陷、this跳转等多重继承是C+语言独有的继承方式,其它儿乎所有语言都秉承了单继承的思 想。这是因为多重继承致命的缺陷导致的:1.2.1 菱形缺陷

14、当继承基类时,在派生类中就获得了基类所有的数据成员副本。假如类B从A1 和A2两个类多重继承而来,这样B类就包含Al、A2类的数据成员副本。考虑如果Al、A2都从某基类派生,该基类称为Base,现在继承关系如下:图4菱形继承关系我们C+语言来描述这种继承关系:class Base ；class Al :public Base ；class A2 :public Base ；class B :public Al, public A2 ；那么Al、A2都具有Base的副本。这样B就包含了Base的两个副本,副本发生了重 叠,不但增加了存储空间,同时也引入了二义性。这就是菱形缺陷,菱形缺陷时 间是两

15、个缺陷:1、子对象重叠2,向上映射的二义性。菱形缺陷的其中种解决办法将在C+世界里最广泛的使用虚拟继承解决菱形缺陷的应用便是标准C+的输入/输 出 iostream；basic iosiostream图5标准C+的输入/输出1.2.2 多重接口与方法名冲突问题(Siamese twins)对继承而来的虚函数改写很容易,但是如果是在改写个“在两个基类都有相同 原型”的虚函数情况就不那么容易了。提出问题:假设汽车最大速度的接口为ICar,潜艇最大速度的接口为!Boat,有一个两栖类 的交通工具它可以奔跑在马路上,也可以航行在大海中,那么它就同时拥有ICar、IBoat 两种交通工具的最大速度特性,

16、我们定义它的接口为ICarBoat；class ICarvirtual int GetMaxSpeed () = 0；)：class IBoatvirtual int GetMaxSpeed ()=0；)：我们先对KZarBoat的接口做个尝试:class CCarBoatvirtual int GetMaxSpeed ()! 既完成ICar的GetMaxSpeed ()接 口 方法又完成IBoat的接口方法?显然不能够)；解决问题:显然上面这个尝试根本就无法成功,只用个实现方法,怎么能够求出这个 ICarBoat交通工具奔跑在马路上的最高时速,同时也能够求出航行在大海上的最大航行 速度呢。上

17、面这问题矛盾就在个方法,却需要两个答案。看来ICarBoat要返回两个 答案就必须有两个方法了,我们假设个方法是求在陆地上奔跑的速度,名称为 GetCarMaxSpeed ?另个方法是求在大海上航行的最大速度,名称为 GetBoatMaxSpeed ():那这两个方法又怎么和GetMaxSpeed ()接口方法联系起来呢;幸运的是,我们找到了解决办法,而且解决办法有很多种,下面介绍一下继承法。class IXCar :public IC arvirtual int GetMaxSpeed ()GetCarMaxSpeed();)virtual int GetCarMaxSpeed () = 0

18、;class IXBoat:public IBoatvirtual int GetMaxSpeed ()GetBoatMaxSpeed();)virtual int GetBoatMaxSpeed () = 0;)；classCCarBoat: public IXCar , public IXBoat(virtual int GetCarMaxSpeed ()virtual int GetBoatMaxSpeed ()图6多重接口与方法名冲突问题1.2.3 this 跳转this跳转是指的“对象同一性”问题。在单继承的世界内,无论继承关系怎么复杂,针对于同一对象,无论它的子类 或者父类的thi

19、s指针永远相等。即如果有下面的模型:图7 B从A继承的关系图那么对于个已经实例化B类的对象bObject,永远有(B*) &bObject =(A*)&bObject 成立。但是在多继承的世界内,上面的等式就不能恒成立,对象的同一性受到了挑战。特别的是,在多继承世界内如果图四的菱形关系存在情况下,如果对于已经实例 化B类的对象bObject; (Base*) (Al*) &bObject != (Base*) (A2*) &bObject 成 立,当这种事情发生的时候我们就只能特殊处理了。这种情况在COM应用中处处都会发 生。1. 3 C+多态的两种多态形式和区别C+有两种多态多态形式:1、编

20、译时刻多态,编译时刻多态依靠函数重载或者模板实现2、运行时刻多态。运行时刻多态依靠需函数虚接口实现第二章 重载学习要求:1、了解什么是函数重载,什么是运算符重载2,学会运用智能指针,仿函数在C+的世界里,有两种重载:函数重载和运算符重载,函数重载就采用采用参数匹配 的原则,进行重载的,它是种编译时刻的多态。而运算符重载,使采用改写或者说重 新定义C+的内嵌运算符的方法。有关重载的基本概念:Overloaded FunctionsOverloaded Operators Declaration Matching Argument Matching Argument Types Matching

21、Argument Counts Matching C+ Unary Operators Binary Operators Smart PointerFunction objects1.1 函数重载函数重载方法是在当前范围内选择个最佳匹配的函数声明供调用该方法者使 用。如果一个适合的函数被找到后,这个函数将会被调用,在这里“适合的”是指按下 列顺序匹配的符合下面条件的:1、个精确匹配的函数被找到2、个参数只有细微的差别,儿乎可以忽略不计的。3、象类似通过子类向父类转化达到参数匹配的4、通过正常转化函数进行类型转换，能够达到参数匹配到的。5、通过用户自定义的转化函数（如转化运算符或者构造函数）达到

22、参数匹配的6、参数是采用省略符号函数重载的方法基本上有:1、根据函数参数数据类型的不同进行的重载;2、根据参数个数的不同进行的重载;3、缺省参数上的重载我们在这里把缺省参数也称为种函数重载,实际上它并不是严格意义上的重 载。在使用缺省参数时必须记住两条规则。第一,只有参数列表的后部参数可是缺省 的,也就是说,我们不可以在个缺省参数后面又跟个非缺省的参数。第二,一旦我 们开始使用缺省参数,那么这个参数后面的所有参数都必须是缺省的。第三,缺省参数 只能放在函数声明中。第四,缺省参数可以让声明的参数没有标识符。4、返回值重载特别注意,在C+中并没有根据返回返回值的不同进行重载的,即我们不 能定义这样

23、的函数:void f ();int f ();在C+中这样的函数声明方法是被禁止的,但是我们有时间可能又需要这样的重 载方法,我们又怎么实现呢,其实很简单,jiang函数的参数进行扩展,将这个函数返 回值的数据类型,做为扩展参数的数据类型来。如下:void f (void)；void f (int)；此时这个例子中的参数列表的数据,只在编译时刻起到分练函数的作用,在运行 时刻并不起到传值作用,模板中经常都应用到了这种方法。1. 2运算符重载你可以重新定义C+绝大多数内嵌运算符的实现方法和功能,这些重定义的或者 说重载的运算符,有可能全局作用的,也有可能作用在类基础之上的,运算符重载的实 现可能

24、以类的成员函数的形式出现,也有可能以全局性的函数的身份出现。在C+中重载运算符的名字为operator在这里x是个可重载的运算符,如： 重载加法运算符,你需要定义个名为operator+的函数,然后实现他,其它的类似 定义就可以了,例如：Class complex /very simplified complexdoublere, im;public:complex(doubler, doublei):re(r), im(i);complex operator+(complex);complex operator*(complex);；定义了 complex这个复数的个简单的实现概念模型。个复

25、数是由一对double 类型的数据组成,并定义了这个复数的两个方法,加法运算complex: :operartor+ () 和乘法运算complex: :operator* ().现在我们就能够实现下面的复数表达式了:void f()complex a = complex(1 , 3. 1);complex b = complex(1. 2 , 2);complex c = b;a = b + c;b = b + c * a;c= a * b + complex(1 , 2);1.3.1 C+可重载的和C+不可重载的运算符可重载运算符表:Operator NameTypeOperatorNam

26、eType9CommaBinary-*Pointer-to-member selectionBinary1Logical NOTUnary/DivisionBinary1 =InequalityBinary/-Division/assignmentBinary%ModulusBinaryLess thanBinary%=Modulus/assignmentBinaryLeft shiftBinary&Bitwise ANDBinary=Left shift/assignmentBinary&Address-ofUnaryGreater thanBinary*MultiplicationBina

27、ry=Greater than or equal toBinary*Pointer dereferenceUnaryRight shiftBinary 二Muitiplication/assignBinary=Right shift/assignmentBinary+AdditionBinaryArray subscript一+Unary PlusUnary*Exclusive ORBinary+Increment1Unary*=ExclusiveOR/assignmentBinary+=Addition/assignmentBinary1Bitwise inclusive ORBinary-

28、SubtractionBinary1=Bitwise inclusive OR/assignmentBinary-Unary negationUnaryIILogical ORBinary-Decrement1UnaryOne s complementUnaryZZSubtraction/assignBinarydeletedelete一- Member selectionBinarynew不可重载运算符表:OperatorName*Member selectionPointer-to-member selection Scope resolution?:Conditional#Preproc

29、essor symbol#Preprocessor symbol在上面可重载的运算符可以看出运算符重载共分为两类:一元运算符重载和二元运算 符重载一元运算符重载:在声明一个类的非静态的一元运算符重载函数时,你必须声明的形式如 下:ret-type operatorcp()(1)在这里ret-type是指返回数据类型op是指一元运算符在声明一个全局的一元运算符重载函数时,你必须声明的形式日下:ret-type operatorop( arg )(2)在这里ret-type与op和上面的意思样,arg是指这个运算符所作用 的数据类型二元运算符重载:在声明一个类的非静态的二元运算符重载函数时,你必须

30、声明的形式如 下：ret-type operator卯(ar。(3)(3)式和二式基本相同arg可以是任何个在声明一个全局的二元运算符重载函数时,你必须声明的形式日下:ret-type operator卯(arg厶 arg2) (4)在这里ret-type与op和上面的意思样,argl, arg2,是指这个运算 符所作用两个数据类型1.3.2 几类特殊的运算符重载1、类型转换运算符所有的数据类型均可以定义构造函数,包括系统定义的数据类型和用户自 定义的数据类型,如:class CStringoperator LPCSTR() const;);应用:CString str = 12345”；LP

31、CSTR Ipsz = str;此处会进行LPCSTR运算这只是一个简单的应用的示例,其实有时间类型转换具有无比强大的功能。我 曾经就是用类型装换运算符重载解决一个跨平台通信的问题。2、bool运算符重载int、float、bool等运算符也是可以重载的,例如重载bool运算符，但是 重载运算符bool时候,需要注意有很多麻烦和臆想不到的东西 template class testbool (operator bool() const throw()return m_ pT != 0;)private:T*m_pT;)下面结果均通过编译testbool spl;testbooKstd: :st

32、ring sp2;if (spl = sp2)if (spl != sp2)bool b = splint I = spl * 10;从上面可以看得出bool的表现已经远远超过bool本身了,所以建议大家不 要轻易对bool进行重载操作。3、地址运算符重载在DCOM应用中,我们有一个重载运算符的例子:STDAPI CoCreatelnstance( REFCLSID rclsid, LPUNKNOWN pUnkOuter, DWORD dwClsContext, REFI ID riid, LPVOID *ppv);我们看最后个参数LPVOID指针的指针,这里是个输出参数,返回 个接口的指针。

33、般情况下我们应用如下IUnknown *pUn;CoCreateInstance(,(void *)& pUn); (5)然而我们也可以这样写:IUnknown *pUn;CComPtr comPtr(pUn);CoCreateInstance(,(void *)& comPtr); (6)之所以能够这么写这是因为CComPtr重载了 “&”运算符,如下:template class CComPtr public:CComPtr(T* Ip) if (p = Ip) != NULL) p-AddRef();T* operator&()ATLASSERT(p=NULL);return &p;pr

34、ivate:T* p;)；&comPtr实际上是得到了一般的情况下,我们并不能对pUn的地址,所以(5)式和(6)式其实传入 的参数是样当都是传入了 pUn的地址。虽然我们能够对运算符进行重载,但一般情况下我们并不是很提倡这种操 作,这是因为:A、暴露了封装对象的地址，如上面CComPtr对pUn的封装其实不起任何 作用,任何时候我都可以直接访问和修改pUn指针，这就意味着所有权 的完全丧失,封装不起任何意义B、对于unary operator&的重载使得重载对方永远无法与STL容器进行任 何融合,甚至无法参与任何泛型编程。一个对象的地址是个对象最基本的概念,在一般情况下,我们并不提倡, 也请

35、大家慎用地址运算符的重载。4、指针运算符重载指针运算符,有一个及其特殊且及其重要的机制:当你对某个型别实施。perator-而这个型别并非原生指针时候: 编译器会从这个型别中找出用户自定义的operator-),并实施后,编译器将继 续对这个operator)返回的结果实施operator-)直到找到个原生指针。这种机制导致了一个特有的技术:(pre and post function calls ), “前调用”及后调用技术。应用如下:class CallDoSomething(public:void DoCallOTRACE(DoCalln);)；templateclass CalllnM

36、utiThreadclass LockProxypublic:LockProxy(T*pT):m_pT(pT)TRACE(Lock n);LockProxy()TRACE(UnLock n);)T *operator-()return m_pT;)private:T *m_pT;)；public:CallInMutiThread(T* pT):m_pT(pT)LockProxy operator-()return LockProxy(m_pT);)private:T *m_pT;);上面CallDoSomething是函数调用,假设这个类原来是在单线程中运行的,但 是现在已经移植到了多环境中,

37、所以我们就增加了 CalllnMutiThread对 原始类 进行配接使之适应与多线程环境,调用过程如下:CallDoSomething DoSomthing;CallInMutiThread MutiThread(&DoSomthing);MutiThread-DoCall();调用结果如下:LockDoCallUnLock从上面可以看出在调用CallDoSomething的成员函数DoCall之前调用 了 Lock方法,在调用结束后有调用了 UnLock。这就是所谓的“前调用”和“后 调用”,其实并不仅仅是多线程问题可以采用此办法,所有的“前调用”和“后 调用”模式均可由此解。重载“”运算

38、符,同时引出了智能指针的概念,参见下页。5、括号运算符重载语法特征:primary-expression (expression-listgpt)括号运算符是个同“”运算符样也是一个及其重要的运算符 在MSDN上说括号运算符是个二元运算符,我觉得这个说法是完全错误的,在 所有C+运算符重载中,括号运算符,应该是唯一没有规定参数元的个数的。它 的参数可以从0个到N个。示例:class Pointpublic:Point() _x = _y = 0; Point &operator()( int dx, int dy ) _x += dx; _y += dy; return *this; priv

39、ate:int _x, _y;；调用如下：Point pt;pt( 3, 2);从上面可以看出,括号运算符,调用形式如下：object (parameter list);看起来和函数的形式是完全一样的：function (parameter list);所以根据这一特点我们称之为仿函数。第三章模板学习要求:1, 了解什么是模板2、学会运用模板函数,模版类和STL模板(templates),以及以模版为基础的泛型编程和泛型模式,是当今C+中最 活跃的项编程技术,模版的第一 个革命性的应用就是Standard Template Library (简 称STL) STL将templates技术广泛应

40、用于STL容器和STL算法上,在这领域template 技术发挥到了极致。本章介绍C+ templates的基本概念和语言特性1.1 认识模板1、模板的基本语法是:template declaration这个template描述了一个参数化的类(模板类)或者是个参数化的函数(模板 函数),这个模板参数列表是用逗号分隔的类型列表(在这个表单忠使用class或者是 typename来标识这个数据类型)。在某些情况下这个模板体内可能不存在任何的数据 类型。declaration域必须是个函数或者类的声明。1.4 模板函数语法定义:template function-name(parameter li

41、st)(例如:template inline T const& max (T const& a, T const& b)(/ if a b then use b else use a return ab?b:a;调用形式:1 :通过调用的参数来识别模板的各参数类型MAX (4,4.2)； / OK, but type of first argument defines return type2:明确指定参数的类型:MAX(4,4.2); /OK在我们的例子中这个参数列表是typename T,其实在这里typename是可以用 class替换的,typename是在C+演化过程中逐渐形成的,而

42、class是个历史性的概 念，typename表达了一个比class更抽象意义上的概念。有如下定义如:class typenamedeftypedef int INT_TYPE;；如果这样表达是正确的：templateclass testtypename:public typenamedef(public:typename T:INT_TYPE;INT_TYPE mjnt;);但是如果把此处的typename换成class就会报错1.4.1 重载模板函数(Overloading Function Templates)和普通的函数一样,模板函数也可以被重载,也就是说对象同的函数名,你能够 具有不

43、同的函数定义,在调用的时候再由C+编译器决定,那个候选函数更有资格被 匹配调用。下面这个简单的例子说明了重载模板函数的方法和过程:/ maximum of two int valuesinline int const& max (int const& a, int const& b)(return ab?b:a;/ maximum of two values of any typetemplate inline T const& max (T const& a, T const& b)(return ab?b:a;/ maximum of three values of any typetemplate inline T const& max (T const& a, T const& b, T const& c) return max (max(a,b), c);)int main():max(7, 42, 68);/ calls the template for three arguments:max(7.0, 42.0);/ c