面向对象 | wzy的博客

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May 3, 2026

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一、面向对象基本概念

1.1 三大核心特性

1）封装（Encapsulation）：数据与方法的绑定

封装的目标不是“把东西藏起来”，而是：

把对象的状态（数据）和操作（方法）放在一起

对外只暴露“我允许你做什么”（public 接口）

在类内部维护不变量（比如余额不能为负）

好处：

降低耦合：外部不需要知道内部怎么存储

更易维护：你可以改内部实现，不影响调用方

更安全：防止非法状态

C++ 用 private/protected/public 进行访问控制，是封装的重要工具。

2）继承（Inheritance）：代码复用和扩展

继承表达的是一种 is-a（是一个） 的关系：

Circle 是一种 Shape

Student 是一种 Person

好处：

复用基类代码

扩展/改写行为（配合多态）

注意：

继承不是“万能复用工具”

很多时候 组合（has-a） 更合适（后面最佳实践会讲）

3）多态（Polymorphism）：同一接口的不同实现

多态的核心是：用统一的方式调用不同对象的行为。

你用 Shape* 或 Shape& 指向 Circle/Square

调用 shape.area() 会执行各自的实现

C++ 多态分两类：

静态多态：编译期决定（重载、模板）

动态多态：运行期决定（虚函数）

1.2 类和对象

类（class）：蓝图/模板，描述“有什么数据+能做什么事”

对象（object）：类的实例，运行时在内存中真实存在

举个直观例子：

class BankAccount 是“银行卡的设计图”

BankAccount a; 是一张真实银行卡对象，有自己的余额

二、类和对象基础

2.1 类定义

你给的结构非常标准：

补充两个 C++ 细节：

class 默认访问权限是 private

成员函数在类外定义要用作用域解析符 ::

2.2 访问控制

private：只能在类内部访问（包括友元 friend）

protected：类内部 + 派生类可以访问

public：任意位置访问（你的对外 API）

设计建议：

数据成员通常设为 private

必要时提供 public 的只读/受控修改接口

protected 要谨慎用：它会让派生类依赖你的内部细节

2.3 构造函数和析构函数

构造函数关键点

推荐使用成员初始化列表（而不是在函数体里赋值）

explicit 防止隐式转换（很多 bug 源头）

析构函数关键点

对象生命周期结束时自动调用

资源管理（文件句柄、锁、内存等）常在析构释放（RAII）

重要：如果类要作为基类并通过基类指针删除对象，析构必须是 virtual

2.4 特殊成员函数（拷贝/移动等）

C++ 有一组“特殊成员函数”（编译器可能自动生成）：

拷贝构造 T(const T&)

拷贝赋值 T& operator=(const T&)

移动构造 T(T&&)（C++11）

移动赋值 T& operator=(T&&)（C++11）

析构 ~T()

三/五/零法则（非常关键）

Rule of 3：如果你自定义了析构/拷贝构造/拷贝赋值之一，很可能需要另外两个

Rule of 5：C++11 后再加移动构造/移动赋值

Rule of 0：最推荐——用标准库类型（如 std::vector、std::unique_ptr）管理资源，让编译器自动生成这些函数

资源类示例（展示 Rule of 5）

三、封装

3.1 数据隐藏

私有数据成员 private

对外提供 Getter/Setter

但 Setter 不应该只是“赋值通道”，更重要是维护不变量：

3.2 实现封装：BankAccount 示例

要点：

getBalance() const：保证查询不会修改对象状态（const 正确性）

不直接暴露 balance，避免外部随意改成负数

四、继承

4.1 继承类型

理解三种继承最核心的一句：

public 继承：保留 is-a 语义（最常用）

protected/private 继承：更像“用基类实现”，对外不再是 is-a（很多时候用组合更清晰）

4.2 继承中的访问控制（public 继承下）

基类成员	public继承后在派生类中
public	public
protected	protected
private	不可访问（但仍存在于对象内存中）

注意：private 成员派生类“不能直接访问”，但它仍然是基类对象的一部分。

4.3 构造/析构调用顺序

构造顺序（非常重要）：

基类构造

成员对象构造（按声明顺序，不是初始化列表顺序）

派生类构造

析构顺序反过来：

派生类析构

成员对象析构

基类析构

示例：

4.4 多重继承

多重继承的典型风险：

同名成员冲突

菱形继承（Diamond Problem）：Base 被重复继承两份

现代 C++ 中更常见的用法是：

多继承“接口”（纯虚函数类）

尽量避免多继承“含数据实现的类”

4.5 虚继承（解决菱形继承）

虚继承的效果：

Final 中 Base 只有一份共享子对象

注意点：

最终派生类（如 Final）负责构造虚基类 Base

复杂度增加，只有在确实需要菱形结构时使用

五、多态

5.1 静态多态（编译时）

1）函数重载（同名不同参数）

2）运算符重载（见第六章）

3）模板（泛型编程）

静态多态优点：

无虚函数开销

可内联、性能好

缺点：

编译时间和错误信息可能更复杂

需要在编译期知道类型

5.2 动态多态（运行时）

5.2.1 虚函数与纯虚函数

运行时多态的条件：

通过 基类指针/引用 调用虚函数

函数在基类中声明为 virtual

5.2.2 抽象类

包含纯虚函数的类就是抽象类

不能实例化

用来定义接口和公共行为

5.2.3 override / final（C++11）

override 强烈建议用：它能帮你抓住很多“签名不匹配导致没覆盖”的隐蔽 bug。

动态多态常见坑：

对象切片（slicing）

正确做法通常是用 Base& / Base* / 智能指针。

基类析构非 virtual + delete basePtr 会导致未定义行为（资源泄漏等）

六、运算符重载

运算符重载的原则：

让自定义类型表现得像内置类型

不要改变运算符的直觉语义（例如把 + 写成减法会很糟糕）

6.1 成员函数重载

适合做成员函数的典型运算符：

[]

()

+= 等复合赋值

6.2 友元函数重载

适合做非成员/友元的场景：

左操作数不是该类对象时（例如 double + Complex）

<<、>> 流运算符通常用非成员函数（可声明为 friend）

6.3 常用运算符重载要点

`<<` 输出运算符（常见）

`[]` 下标运算符：通常提供 const 与非 const 两个版本

七、静态成员

7.1 静态数据成员

特点：

属于类本身，不属于某个对象

所有对象共享一份

传统写法需要在类外定义一次：

C++17 起可以用 inline static 直接在类内初始化（更方便）

7.2 静态成员函数

特点：

没有 this 指针

只能访问静态成员（除非通过对象/引用传入）

八、友元（friend）

8.1 友元函数

8.2 友元类

建议：

friend 会破坏封装边界（但有时确实必要）

常见用途：运算符重载、与强相关的辅助类协作、单元测试（慎用）

九、const 成员

9.1 const 成员函数

含义：

const 成员函数里，this 类型相当于 const Array*

不能修改普通成员（除非成员是 mutable）

9.2 const 对象

实践中非常常见：

函数参数用 const T& 避免拷贝且保证不修改

getter 应写成 T get() const

十、高级特性（C++11 及以上）

10.1 移动语义（Move Semantics）

核心概念：

右值引用 T&&：绑定临时对象

std::move：把对象“标记为可移动”（本质是类型转换）

移动构造/移动赋值：把资源所有权从一个对象转移到另一个对象

简例：

注意：

std::move 不会移动任何东西，它只是允许移动发生

被 move 过的对象仍然“有效但状态未指定”，不要依赖其内容

10.2 智能指针与 RAII

unique_ptr：独占所有权，最常用、开销低

shared_ptr：共享所有权，有引用计数开销

weak_ptr：解决 shared_ptr 循环引用（观察者关系等）

RAII：资源获取即初始化

构造函数获取资源

析构函数释放资源

“资源”不仅是内存，也包括锁、文件、网络连接等

10.3 委托构造函数

好处：减少重复初始化逻辑。

10.4 继承构造函数（C++11）

适用于派生类不需要额外初始化逻辑的场景。

十一、设计原则

11.1 SOLID 原则（面向对象设计核心）

S 单一职责：一个类只做一类事情（变化原因单一）

O 开闭原则：对扩展开放，对修改关闭（用多态/组合扩展功能）

L 里氏替换：派生类对象必须能替换基类对象且不破坏正确性（不要违反基类契约）

I 接口隔离：不要让类依赖它不需要的方法（拆分接口）

D 依赖倒置：依赖抽象而不是依赖具体实现（面向接口编程）

11.2 常见设计模式（结合 C++ 常见落地）

工厂模式：把创建逻辑集中/隐藏，返回基类指针（常配合 unique_ptr）

单例模式：谨慎使用；可用局部静态变量实现线程安全（C++11 起保证）

观察者模式：事件订阅/通知（注意 shared_ptr/weak_ptr 防循环引用）

策略模式：把算法作为可替换对象/函数传入（现代 C++ 也常用 std::function/模板）

适配器模式：接口不兼容时做一层包装

十二、最佳实践

12.1 类设计准则

最小化 public 接口：暴露越少越不容易被错误依赖

优先组合而非继承：复用实现用组合；表达 is-a 用继承

遵循 RAII：避免裸 new/delete，让资源跟对象生命周期绑定

Rule of 0 / 5：

能用标准库管理资源就用（Rule of 0）
必须手写资源类就写全（Rule of 5）或 =delete 明确禁用

示例：禁止拷贝

12.2 异常安全

基本保证：出异常时对象仍处于有效状态（不泄漏资源、不崩）

强保证：出异常时状态完全不变（常用 copy-and-swap 技术）

不抛保证：承诺不会抛异常（例如移动构造最好 noexcept，否则容器可能退化成拷贝）

12.3 性能考虑

小函数可 inline（但不要为了 inline 写成“头文件巨无霸”）

避免不必要拷贝：用 const T&、返回值优化（RVO/NRVO）、移动语义

认识虚函数开销：一次间接调用 + 可能失去内联机会（但很多场景完全可接受）

对多态对象集合：用 std::vector<std::unique_ptr<Base>> 常见且安全

十三、示例代码框架（在你给的基础上补全并更现代）

下面给一个更完整、可直接运行的示例：抽象基类 + 多态使用 + 智能指针管理生命周期。

你会看到：

Shape 定义了“统一接口”

Circle/Rectangle 实现各自行为

外部代码只依赖 Shape 抽象，不关心具体类型

unique_ptr 自动释放资源，避免内存泄漏