类设计--友元+静态成员+对象之间的关系

一.友元1. 核心定义友元是 C 提供的打破封装的机制允许外部函数 / 类访问一个类的私有 (private) / 保护 (protected)成员。2. 三大友元类型必考1全局函数作为友元在类内部声明friend 全局函数原型该全局函数就能访问类私有成员。class Person { // 声明全局函数为友元位置无要求习惯写顶部 friend void showPerson(Person); friend ostream operator(ostream, Person); private: int pid; string name; public: Person(int pid, string name) : pid(pid), name(name) {} }; // 友元全局函数可以直接访问私有成员 void showPerson(Person p) { cout p.pid p.name endl; } // 运算符重载 常用友元写法必须全局/友元 ostream operator(ostream cout, Person p) { cout p.pid p.name; return cout; }2类的成员函数作为友元让另一个类的某个成员函数可以访问当前类的私有成员。class Point; class Line { public: void draw(Point p); // 仅声明 }; class Point { // 声明 Line::draw 为友元 friend void Line::draw(Point); private: int x, y; }; void Line::draw(Point p) { cout p.x p.y; // 可访问私有 }3类作为友元友元类整个类都可以访问当前类的私有成员最常用。class Point { friend class Line; // Line 是 Point 的友元类 private: int x, y; }; class Line { public: void test(Point p) { p.x 10; // 直接访问私有 } };3. 友元高频考点 / 面试题友元是单向的A 是 B 的友元 ≠ B 是 A 的友元友元不传递A 是 B 友元B 是 C 友元 ≠ A 是 C 友元友元不能继承子类无法继承父类的友元关系友元不是成员函数没有 this 指针作用运算符重载/、跨类访问、提高效率缺点破坏封装性慎用二.类的静态成员1. 核心概念静态成员被static修饰的成员属于类不属于任何对象所有对象共享同一份静态成员静态成员存放在全局数据区不占用对象内存空间2. 静态成员变量语法规则类内声明类外定义 / 初始化定义时不能加 static访问方式类名::成员或对象.成员class Math { private: // 1. 类内声明静态变量 static float PI; public: // 静态常量C11 可直接类内初始化必须 constexpr/const static constexpr int R 2; }; // 2. 类外定义初始化无static float Math::PI 3.1415; // 访问 Math::R; // 推荐 Math().getPI();3. 静态成员函数属于类无 this 指针只能访问静态成员静态变量 / 静态函数不能访问非静态成员非静态变量 / 函数调用类名::函数()或对象.函数()class Tool { private: int x; // 非静态 static int cnt; // 静态 public: static void show() { // x; 错误无this不能访问非静态 cnt; // 正确 } };4. 静态成员高频考点静态成员不占用对象大小sizeof不计入静态变量生命周期程序整个运行期静态函数无 this 指针不能用const修饰静态常量static const / static constexpr可类内初始化三.静态的应用单例模式(singleton)单例模式确保一个类在程序中只有一个实例并提供全局访问点。字节面试常考 “线程安全的单例实现”。1. 实现核心要点构造函数私有化禁止外部创建对象。拷贝构造函数和赋值运算符delete禁止拷贝。提供静态成员函数获取唯一实例。2. 两种经典实现饥汉模式饿汉模式程序启动时就创建实例静态初始化。class Singleton { private: Singleton() default; // 私有构造 Singleton(const Singleton) delete; // 禁止拷贝 Singleton operator(const Singleton) delete; // 禁止赋值 static Singleton instance; // 静态实例程序启动时初始化 public: static Singleton getInstance() { return instance; } }; Singleton Singleton::instance; // 类外定义静态实例优点线程安全静态初始化由编译器保证在main函数前完成。缺点如果实例很大且未被使用会浪费资源程序启动速度变慢。懒汉模式第一次调用getInstance时才创建实例延迟加载。class Singleton { private: Singleton() default; Singleton(const Singleton) delete; Singleton operator(const Singleton) delete; static Singleton* instance; // 静态指针 public: static Singleton* getInstance() { if (instance nullptr) { // 第一次检查避免不必要的加锁 instance new Singleton(); // 延迟创建 } return instance; } }; Singleton* Singleton::instance nullptr; // 初始化为空优点延迟加载节省资源。缺点线程不安全多线程下可能创建多个实例。3. 面试高频考点线程安全的懒汉模式双重检查锁定DCL, Double-Checked Locking需配合volatile和内存屏障C11 起推荐用std::call_once或静态局部变量。#include mutex class Singleton { private: Singleton() default; static Singleton* volatile instance; // volatile防止指令重排 static mutex mtx; public: static Singleton* getInstance() { if (instance nullptr) { // 第一次检查无锁 lock_guardmutex lock(mtx); // 加锁 if (instance nullptr) { // 第二次检查有锁 instance new Singleton(); } } return instance; } };C11 静态局部变量推荐静态局部变量的初始化在 C11 中是线程安全的编译器保证。class Singleton { private: Singleton() default; Singleton(const Singleton) delete; Singleton operator(const Singleton) delete; public: static Singleton getInstance() { static Singleton instance; // 静态局部变量第一次调用时初始化 return instance; } };内存泄漏问题懒汉模式中new的实例未被delete。解决方法使用std::unique_ptr或嵌套类的静态对象析构时回收。四.类对象之间的关系1. 依赖关系Dependency“使用 a”定义一个类的成员函数临时使用另一个类的对象最弱的关系。代码表现成员函数的参数是另一个类的对象 / 引用 / 指针或函数内部使用另一个类的对象。例子Account的pushMoney函数依赖BankCard。class BankCard { private: int balance; public: BankCard(int v) : balance(v) {} }; class Account { public: // 依赖BankCard作为参数 void pushMoney(BankCard card, int m) { card.balance m; // 需友元支持访问私有成员 } };UML虚线箭头从使用者指向被使用者。2. 关联关系Association“有 a”定义一个类将另一个类作为成员属性结构关系。分类单向关联A 有 B 的成员、双向关联A 和 B 互相有对方的成员。例子Account有PCard指针作为成员。class PCard; // 前向声明 class Account { private: PCard* pcard; // 单向关联Account有PCard的指针 };UML实线箭头单向或实线双向。3. 聚合关系Aggregation“整体 - 部分部分可独立”定义特殊的关联体现 “整体与部分” 的关系但部分可以独立于整体存在整体不拥有部分的生命周期。代码表现整体类的构造函数接收部分类的引用 / 指针且析构时不销毁部分类。例子Line聚合PointPoint可单独存在Line不负责销毁Point。class Point { private: int x, y; public: Point(int x, int y) : x(x), y(y) {} }; class Line { private: Point p1; // 引用Point是外部创建的 Point p2; public: Line(Point p1, Point p2) : p1(p1), p2(p2) {} // 接收外部Point // 析构函数不delete p1/p2Point生命周期独立 };UML空心菱形 实线箭头菱形指向整体。4. 组合关系Composition“强整体 - 部分部分不可独立”定义强聚合“整体与部分” 关系更紧密部分不能独立于整体存在整体拥有部分的生命周期。代码表现整体类的构造函数中new部分类析构函数中delete部分类。例子Line组合PointPoint由Line创建和销毁。class Point { private: int x, y; public: Point(int x, int y) : x(x), y(y) {} }; class Line { private: Point* p1; // 指针Line负责创建和销毁 Point* p2; public: Line(int x1, int y1, int x2, int y2) { p1 new Point(x1, y1); // 整体创建部分 p2 new Point(x2, y2); } ~Line() { delete p1; // 整体销毁部分 delete p2; } };UML实心菱形 实线箭头菱形指向整体。5. 面试高频考点四种关系的区别关系语义代码表现生命周期关联依赖使用 a函数参数 / 局部变量无关联有 a成员变量无聚合整体 - 部分独立成员变量引用 / 外部指针部分独立于整体组合整体 - 部分不独立成员变量内部 new/delete部分由整体管理