04-面向对象编程基础

面向对象编程（OOP）是C++的核心特性，通过封装、继承、多态三大特性构建复杂系统。

类和对象

类是对象的模板，对象是类的实例。类定义了数据（成员变量）和操作（成员函数）。

类定义

类使用 class 关键字定义，默认成员为私有。良好的类设计遵循封装原则。

class Person {
private:
    string name;
    int age;
    
public:
    // 构造函数
    Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
    
    // 成员函数
    void display() {
        cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
    }
    
    // 访问器
    string getName() const { return name; }
    int getAge() const { return age; }
    
    // 修改器
    void setName(const string& n) { name = n; }
    void setAge(int a) { age = a; }
};

对象创建和使用

Person p1("Alice", 25);          // 栈上创建
Person* p2 = new Person("Bob", 30); // 堆上创建
p1.display();                    // 调用成员函数
delete p2;                       // 释放堆内存

访问控制

public：公开访问
private：私有访问（默认）
protected：受保护访问

构造函数和析构函数

构造函数负责对象初始化，析构函数负责资源清理。它们是RAII模式的基础。

构造函数

构造函数与类同名，无返回值。支持重载、默认参数、初始化列表等特性。

class Rectangle {
private:
    int width, height;
    
public:
    // 默认构造函数
    Rectangle() : width(0), height(0) {}
    
    // 参数化构造函数
    Rectangle(int w, int h) : width(w), height(h) {}
    
    // 拷贝构造函数
    Rectangle(const Rectangle& other) 
        : width(other.width), height(other.height) {}
    
    // 移动构造函数（C++11）
    Rectangle(Rectangle&& other) noexcept
        : width(other.width), height(other.height) {
        other.width = other.height = 0;
    }
};

析构函数

class Resource {
private:
    int* data;
    
public:
    Resource(int size) : data(new int[size]) {}
    
    // 析构函数
    ~Resource() {
        delete[] data;
    }
};

初始化列表

class Student {
private:
    string name;
    int id;
    const int grade;
    
public:
    // 初始化列表
    Student(string n, int i, int g) 
        : name(n), id(i), grade(g) {}
};

继承

继承实现代码复用和类层次结构。派生类继承基类的属性和方法，可扩展或重写功能。

单继承

单继承指一个类只继承一个基类。使用 public、protected 或 private 指定继承方式。

// 基类
class Animal {
protected:
    string species;
    
public:
    Animal(string s) : species(s) {}
    virtual void makeSound() {
        cout << "Animal sound" << endl;
    }
    virtual ~Animal() = default;
};

// 派生类
class Dog : public Animal {
public:
    Dog() : Animal("Canine") {}
    
    void makeSound() override {
        cout << "Woof!" << endl;
    }
};

访问修饰符

public继承：保持原有访问级别
protected继承：public变为protected
private继承：所有成员变为private

多重继承

class Flyable {
public:
    virtual void fly() = 0;
};

class Swimmable {
public:
    virtual void swim() = 0;
};

class Duck : public Animal, public Flyable, public Swimmable {
public:
    void fly() override {
        cout << "Duck flying" << endl;
    }
    
    void swim() override {
        cout << "Duck swimming" << endl;
    }
};

多态

多态允许通过基类指针调用派生类方法，实现运行时决策。是面向对象三大特性之一。

虚函数

虚函数通过 virtual 关键字声明，支持运行时动态绑定。派生类用 override 明确重写意图。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0;  // 纯虚函数
    virtual void draw() const {
        cout << "Drawing shape" << endl;
    }
    virtual ~Shape() = default;
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
    
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    
    double area() const override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
    
    void draw() const override {
        cout << "Drawing circle" << endl;
    }
};

虚函数表

vtable：存储虚函数地址的表
vptr：指向虚函数表的指针
动态绑定：运行时确定调用哪个函数

抽象类

class AbstractShape {
public:
    virtual double area() const = 0;  // 纯虚函数
    virtual double perimeter() const = 0;  // 纯虚函数
    
    // 可以有非虚函数
    void printInfo() {
        cout << "Area: " << area() << endl;
        cout << "Perimeter: " << perimeter() << endl;
    }
};

封装

数据封装

class BankAccount {
private:
    double balance;
    string accountNumber;
    
public:
    BankAccount(string accNum, double initialBalance) 
        : accountNumber(accNum), balance(initialBalance) {}
    
    // 公共接口
    void deposit(double amount) {
        if (amount > 0) {
            balance += amount;
        }
    }
    
    bool withdraw(double amount) {
        if (amount > 0 && amount <= balance) {
            balance -= amount;
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    double getBalance() const {
        return balance;
    }
};

友元函数和友元类

class Rectangle {
private:
    int width, height;
    
public:
    Rectangle(int w, int h) : width(w), height(h) {}
    
    // 友元函数
    friend void printDimensions(const Rectangle& r);
    
    // 友元类
    friend class RectangleHelper;
};

void printDimensions(const Rectangle& r) {
    cout << "Width: " << r.width << ", Height: " << r.height << endl;
}

运算符重载

基本运算符重载

class Vector {
private:
    double x, y;
    
public:
    Vector(double x = 0, double y = 0) : x(x), y(y) {}
    
    // 加法运算符
    Vector operator+(const Vector& other) const {
        return Vector(x + other.x, y + other.y);
    }
    
    // 赋值运算符
    Vector& operator=(const Vector& other) {
        if (this != &other) {
            x = other.x;
            y = other.y;
        }
        return *this;
    }
    
    // 输出运算符（友元函数）
    friend ostream& operator<<(ostream& os, const Vector& v) {
        os << "(" << v.x << ", " << v.y << ")";
        return os;
    }
};

特殊运算符

class Array {
private:
    int* data;
    int size;
    
public:
    // 下标运算符
    int& operator[](int index) {
        return data[index];
    }
    
    const int& operator[](int index) const {
        return data[index];
    }
    
    // 函数调用运算符
    int operator()(int index) const {
        return data[index];
    }
};

静态成员

静态数据成员

class Counter {
private:
    static int count;  // 静态数据成员
    
public:
    Counter() { count++; }
    ~Counter() { count--; }
    
    static int getCount() {  // 静态成员函数
        return count;
    }
};

int Counter::count = 0;  // 静态成员定义

静态成员函数

属于类而不是对象
不能访问非静态成员
可以通过类名直接调用
没有this指针

三法则/五法则/零法则

三法则（Rule of Three）

如果类需要自定义析构函数、拷贝构造或拷贝赋值中的任何一个，通常需要同时定义全部三个。

class Resource {
private:
    int* data;
    
public:
    Resource(int val) : data(new int(val)) {}
    
    // 1. 析构函数
    ~Resource() { delete data; }
    
    // 2. 拷贝构造函数
    Resource(const Resource& other) : data(new int(*other.data)) {}
    
    // 3. 拷贝赋值运算符
    Resource& operator=(const Resource& other) {
        if (this != &other) {
            delete data;
            data = new int(*other.data);
        }
        return *this;
    }
};

五法则（Rule of Five）- C++11

C++11引入移动语义，需额外定义移动构造和移动赋值。

class Resource {
private:
    int* data;
    
public:
    Resource(int val) : data(new int(val)) {}
    ~Resource() { delete data; }
    
    // 拷贝操作
    Resource(const Resource& other) : data(new int(*other.data)) {}
    Resource& operator=(const Resource& other) {
        if (this != &other) {
            delete data;
            data = new int(*other.data);
        }
        return *this;
    }
    
    // 4. 移动构造函数
    Resource(Resource&& other) noexcept : data(other.data) {
        other.data = nullptr;
    }
    
    // 5. 移动赋值运算符
    Resource& operator=(Resource&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            delete data;
            data = other.data;
            other.data = nullptr;
        }
        return *this;
    }
};

零法则（Rule of Zero）- 推荐

使用智能指针和RAII类，让编译器自动生成所有特殊成员函数。

// ✅ 推荐：零法则
class GoodResource {
    std::unique_ptr<int> data;  // 自动管理内存
public:
    GoodResource(int val) : data(std::make_unique<int>(val)) {}
    // 编译器自动生成析构、移动操作
    // 拷贝操作被隐式删除（unique_ptr不可拷贝）
};

最佳实践：优先零法则 > 五法则 > 三法则