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第五章 C+程序的结构 清华大学 郑 莉 C+语言程序设计 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 2 本章主要内容 作用域与可见性 对象的生存期 数据与函数 静态成员 共享数据的保护 友元 编译预处理命令 多文件结构和工程 深度探索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 5.1标识符的作用域和可见性 作用域 是一个标识符在程序正文中有效的区 域。 可见性 标识符是否可以引用的问题 3 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 4 函数原形的作用域 函数原型中的参数，其作用域始于 (，结束于 )。 例如，设有下列原型声明： double area(double radius); radius 的作用域仅在于此， 不能用于程序正文其他地方， 因而可有可无。 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 5 局部作用域 函数的形参，在块中声明的标识符，其作 用域自声明处起，限于块中，例如： void fun(int a) int b = a; cin b; if (b 0) int c; . c的作用域 b的作用域 作 用 域 与 可 见 性 a的作用域 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 6 类作用域 类作用域作用于特定的成员名。 类 X的成员 m具有类作用域，对 m的访问方式 如下： 如果在 X的成员函数中没有声明同名的局部作用 域标识符，那么在该函数内可以访问成员 m。 通过表达式 x.m或者 X:m访问。 通过表达式 ptr-M 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 7 命名空间 命名空间可以解决类名、函数名等的命名冲突 命名空间的声明 namespace 命名空间名 各种声明（函数声明、类声明、 ） 例 namespace SomeNs class SomeClass . ; 特殊的命名空间 全局命名空间：默认的命名空间 匿名命名空间：对每个源文件是唯一的 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 命名空间作用域 一个命名空间确定了一个命名空间作用域 引用其它命名空间作用域中的标识符 命名空间名 :标识符名 例：声明一个 SomeClass型的对象 SomeNs:SomeClass obj1; 将其它命名空间作用域的标识符暴露于当前 作用域 对指定标识符 using 命名空间名 :标识符名 ; 对所有标识符 using namespace命名空间名 ; 8 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 9 可见性 可见性是从对标识符的引用的角度来谈 的概念 可见性表示从内层作用域向外层作用域 “看”时能看见什么。 如果标识在某处可见，则就可以在该处 引用此标识符。 块作用域 类作用域 命名空间作用域 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 10 可见性 标识符应声明在先，引用在后。 如果某个标识符在外层中声明，且在内层中 没有同一标识符的声明，则该标识符在内层 可见。 对于两个嵌套的作用域，如果在内层作用域 内声明了与外层作用域中同名的标识符，则 外层作用域的标识符在内层不可见。 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 11 同一作用域中的同名标识符 在同一作用域内的对象名、函数名、 枚举常量名会隐藏同名的类名或枚举 类型名。 重载的函数可以有相同的函数名。 作 用 域 与 可 见 性 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 12 #include using namespace std; int i; /在全局命名空间中的全局变量 namespace Ns int j; /在 Ns命名空间中的全局变量 int main() i = 5; /为全局变量 i赋值 Ns:j = 6; /为全局变量 j赋值 /子块 1 using namespace Ns; /当前块中可以直接引用 Ns中的标识符 int i; /局部变量，局部作用域 i = 7; cout << i = << i << endl;/输出 7 cout << j = << j << endl;/输出 6 cout << i = << i << endl; /输出 5 return 0; 作 用 域 与 可 见 性 例 5.1 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 13 对象的生存期 对象从产生到结束的这段时间就是 它的生存期。 在对象生存期内，对象将 保持它的值，直到被更新为止。 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 14 静态生存期 这种生存期与程序的运行期相同。 在文件作用域中声明的对象具有这种 生存期。 在函数内部声明静态生存期对象，要 冠以关键字 static 。 对 象 的 生 存 期 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 15 #include using namespace std; int i = 5; /文件作用域 int main() static int k=3; /局部作用域 cout << i= << i << endl; cout << k= << k << endl; return 0; i,k具有静态生存期 对 象 的 生 存 期 例 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 16 动态生存期 局部作用域中声明的，没有用 static 修饰的对象是动态生存期的对象（习 惯称局部生存期对象）。 开始于程序执行到声明点时，结束于 命名该标识符的作用域结束处。 对 象 的 生 存 期 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 17 例 5-2 变量的生存期与可见性 #include using namespace std; int i = 1; / i 为全局变量，具有静态生存期。 void other() static int a = 2; static int b; / a,b为静态局部变量，具有全局寿命，局部可见。 /只第一次进入函数时被初始化。 int c = 10; / C为局部变量，具有动态生存期， /每次进入函数时都初始化。 a += 2; i += 32; c += 5; cout<<-OTHER-n; cout<< i: <<i<< a: <<a<< b: <<b<< c: <<c<<endl; b = a; 对 象 的 生 存 期 int main() static int a;/ 静态局部变量，有全局寿命，局部可见。 int b = -10; / b, c为局部变量，具有动态生存期。 int c = 0; cout << -MAIN-n; cout<< i: <<i<< a: <<a<< b: <<b<< c: <<c<<endl; c += 8; other(); cout<<-MAIN-n; cout<< i: <<i<< a: <<a<< b: <<b<< c: <<c<<endl; i += 10; other(); return 0; 17 运行结果： -MAIN- i: 1 a: 0 b: -10 c: 0 -OTHER- i: 33 a: 4 b: 0 c: 15 -MAIN- i: 33 a: 0 b: -10 c: 8 -OTHER- i: 75 a: 6 b: 4 c: 15 18 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 20 #include using namespace std; void fun(); int main() fun(); fun(); void fun() static int a=1; int i=5; a+; i+; cout<<i=<<i<<,a=<<a<<endl; 运行结果： i=6, a=2 i=6, a=3 i是动态生存期 a是静态生存期 对 象 的 生 存 期 练习 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 21 例 5-3具有静态、动态生存期对象的时钟程序 #include using namespace std; class Clock /时钟类定义 public: /外部接口 Clock(); void setTime(int newH, int newM, int newS); /三个形参均具有函数原型作用域 void showTime(); private: /私有数据成员 int hour, minute, second; ; 对 象 的 生 存 期 Clock:Clock() : hour(0), minute(0), second(0) /构造函数 void Clock:setTime(int newH, int newM, int newS) /三个形参均具有局部作用域 hour = newH; minute = newM; second = newS; void Clock:showTime() cout << hour << : << minute << : << second << endl; 20 Clock globClock;/声明对象 globClock， /具有静态生存期，文件作用域 int main() /主函数 cout << First time output: << endl; /引用具有文件作用域的对象： globClock.showTime();/对象的成员函数具有类作用域 globClock.setTime(8,30,30); Clock myClock(globClock); /声明具有块作用域的对象 myClock cout<<Second time output:<<endl; myClock.showTime(); /引用具有块作用域的对象 return 0; 21 程序的运行结果为： First time output: 0:0:0 Second time output: 8:30:30 22 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 25 数据与函数 数据存储在局部对象中，通过参数传 递实现共享 函数间的参数传递。 数据存储在全局对象中。 将数据和使用数据的函数封装在类中。 一方面 实现了类内函数的共享 ； 同时控制了类外共享访问的范围和权限 数 据 与 函 数 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 26 使用全局变量 #include using namespace std; int x,y,z; void main() x=3; y=5; max(); cout <<“max=”<< z<y?x:y; 数 据 与 函 数 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 使用全局变量 #include using namespace std; int global; void f() global=5; void g() cout << global << endl; int main() f(); g(); /输出“ 5” return 0; 27 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 28 将函数与数据封装 #include using namespace std; class Application public: void f(); void g(); private: int global; ; void Application:f() global = 5; void Application:g() cout << global << endl; int main() Application MyApp; MyApp.f(); MyApp.g(); return 0; 数 据 与 函 数 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 29 静态数据成员 静态数据成员 用关键字 static声明 该类的所有对象维护该成员的同一个拷 贝 必须在类外定义和初始化，用 (:)来指明 所属的类。 静 态 成 员 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 30 例 5-4 具有静态数据成员的 Point类 #include using namespace std; class Point public: Point(int x=0, int y=0) : x(x), y(y) count+; Point(Point int getX() return x; int getY() return y; void showCount() cout << Object count=“ << count << endl; private: int x,y; static int count; ; 静 态 成 员 Point:Point(Point x = p.y; count+; int Point:count=0; /这里不初始化为 0可以，但是这句话 必须有 int main() Point a(4,5); cout<<Point A:<<a.getX()<<,<<a.getY(); a.showCount(); Point b(a); cout<<Point B:<<b.getX()<<,<<b.getY(); b.showCount(); return 0; 28 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 32 静态成员函数举例 #include using namespace std; class Application public: static void f(); static void g(); private: static int global; ; int Application:global=0; void Application:f() global=5; void Application:g() cout << global << endl; int main() Application:f(); Application:g(); return 0; 静 态 成 员 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 静态成员函数 静态成员函数 类外代码可以使用类名和作用域操作符来调用 静态成员函数。 静态成员函数只能引用属于该类的静态数据成 员或静态成员函数。 33 静 态 成 员 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 34 静态成员函数举例 class A public: static void f(A a); private: int x; ; void A:f(A a) cout << x; /对 x的引用是 错误 的 cout << a.x; /正确 静 态 成 员 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 35 具有静态数据、函数成员的 Point类 #include using namespace std; class Point /Point类定义 public: /外部接口 Point(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) count+; Point(Point Point() count-; int getX() return x; int getY() return y; static void showCount() /静态函数成员 cout << Object count = << count << endl; private: /私有数据成员 int x, y; static int count; /静态数据成员声明 ; 静 态 成 员 Point:Point(Point y = p.y; count+; int Point:count=0; int main() /主函数实现 Point a(4,5); /声明对象 A cout<<Point A,<<a.getX()<<,<<a.getY(); Point:showCount(); /输出对象个数 Point b(a); /声明对象 B cout<<Point B,<<b.GetX()<<,<<b.GetY(); Point: showCount(); /输出对象个数 return 0; 32 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 友元 class A public: void display() cout <<x<<endl int getX() return x; private: int x; ; class B public : void set (int i); void display(); private: A a; 37 void B:set(int i) a.x=I; friend class B; C+语言程序设计 清华大学 郑莉 38 友元 友元是 C+提供的一种破坏数据封装 和数据隐藏的机制。 通过将一个模块声明为另一个模块的 友元，一个模块能够引用到另一个模 块中本是被隐藏的信息。 可以使用友元函数和友元类。 为了确保数据的完整性，及数据封装 与隐藏的原则，建议尽量不使用或少 使用友元。 友 元 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 39 友元函数 友元函数是在类声明中由关键字 friend 修饰说明的非成员函数，在它的函数 体中能够通过对象名访问 private 和 protected成员 作用：增加灵活性，使程序员可以在 封装和快速性方面做合理选择。 访问对象中的成员必须通过对象名。 友 元 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 40 例 5-6 使用友元函数计算两点距离 #include #include class Point /Point类声明 public: /外部接口 Point(int x=0, int y=0) : x(x), y(y) int getX() return x; int getY() return y; friend float dist(Point private: /私有数据成员 int x, y; ; 友 元 float dist( Point double y = a.y - b.y; return static_cast(sqrt(x * x + y * y); int main() Point p1(1, 1), p2(4, 5); cout <<The distance is: ; cout << dist(p1, p2) << endl; return 0; 36 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 42 友元类 若一个类为另一个类的友元，则此类 的所有成员都能访问对方类的私有成 员。 声明语法：将友元类名在另一个类中 使用 friend修饰说明。 友 元 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 43 友元类举例 class A friend class B; public: void display() cout << x << endl; private: int x; class B public: void set(int i); void display(); private: A a; ; 友 元 void B:set(int i) a.x=i; void B:display() a.display(); /这里即使不定义友元 类，也可以直接访问类 a的 display（）函 数，因为这个是 public的，也就是共有的。 39 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 45 友元关系是单向的 如果声明 B类是 A类的友元， B类的 成员函数就可以访问 A类的私有和保护 数据，但 A类的成员函数却不能访问 B 类的私有、保护数据。 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 46 常类型 常类型的对象必须进行初始化，而且不能被 更新。 常对象：必须进行初始化 ,不能被更新。 const 类名 对象名 常引用：被引用的对象不能被更新。 const 类型说明符 y=j; . private: int x,y; ; A const a(3,4); /a是常对象，不能被更新 共 享 数 据 的 保 护 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 48 用 const修饰的对象成员 常成员函数 使用 const关键字说明的函数。 常成员函数不更新对象的数据成员。 常成员函数说明格式： 类型说明符 函数名（参数表） const; 这里， const是函数类型的一个组成部分，因此在实 现部分也要带 const关键字。 const关键字可以被用于参与对重载函数的区分 通过常对象只能调用它的常成员函数。 常数据成员 使用 const说明的数据成员。 共 享 数 据 的 保 护 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 49 例 5-7 常成员函数举例 #include using namespace std; class R public: R(int r1, int r2) : r1(r1), r2(r2) void print(); void print() const; private: int r1, r2; ; 共 享 数 据 的 保 护 void R:print() cout << r1 << : << r2 << endl; void R:print() const cout << r1 << ; << r2 << endl; int main() R a(5,4); a.print(); /调用 void print() const R b(20,52); b.print(); /调用 void print() const return 0; 45 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 51 例 5-8 常数据成员举例 #include using namespace std; class A public: A(int i); void print(); private: const int a; static const int b; /静态常数据成员 ; 共 享 数 据 的 保 护 const int A:b=10; A:A(int i) : a(i) void A:print() cout << a << : << b <<endl; int main() /*建立对象 a和 b，并以 100和 0作为初值，分别调用构造 函数，通过构造函数的初始化列表给对象的常数据成 员赋初值 */ A a1(100), a2(0); a1.print(); a2.print(); return 0; 47 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 53 例 5-9常引用作形参 #include #include using namespace std; class Point /Point类定义 public: /外部接口 Point(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) int getX() return x; int getY() return y; friend float dist(const Point private: /私有数据成员 int x, y; ; 共 享 数 据 的 保 护 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 例 5-9常引用作形参 float dist(const Point double y = p1.y - p2.y; return static_cast(sqrt(x * x + y * y); int main() /主函数 const Point myp1(1, 1), myp2(4, 5); cout << The distance is: ; cout << dist(myp1, myp2) << endl; return 0; 54 共 享 数 据 的 保 护 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 55 编译预处理命令 #include 包含指令 将一个源文件嵌入到当前源文件中该点处。 #include 按标准方式搜索，文件位于 C+系统目录的 include子目录下 #include文件名 首先在当前目录中搜索，若没有，再按标准方式搜索。 #define 宏定义指令 定义符号常量，很多情况下已被 const定义语句取代。 定义带参数宏，已被内联函数取代。 #undef 删除由 #define定义的宏，使之不再起作用。 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 56 条件编译指令 #if 和 #endif #if 常量表达式 /当“ 常量表达式”非零时编译 程序正文 #endif . 编 译 预 处 理 命 令 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 57 条件编译指令 #else #if 常量表达式 /当“ 常量表达式”非零时编译 程序正文 1 #else /当“ 常量表达式”为零时编译 程序正文 2 #endif 编 译 预 处 理 命 令 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 58 条件编译指令 #elif #if 常量表达式 1 程序正文 1 /当“ 常量表达式 1” 非零时编译 #elif 常量表达式 2 程序正文 2 /当“ 常量表达式 2” 非零时编译 #else 程序正文 3 /其他情况下编译 #endif 编 译 预 处 理 命 令 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 59 条件编译指令 #ifdef 标识符 程序段 1 #else 程序段 2 #endif 如果“标识符”经 #defined定义过，且 未经 undef删除，则编译程序段 1，否则 编译程序段 2。 编 译 预 处 理 命 令 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 60 条件编译指令 #ifndef 标识符 程序段 1 #else 程序段 2 #endif 如果“标识符”未被定义过，则编译程 序段 1，否则编译程序段 2。 编 译 预 处 理 命 令 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 61 多文件结构（例 5-10） 一个源程序可以划分为多个源文件： 类声明文件（ .h文件） 类实现文件（ .cpp文件） 类的使用文件（ main()所在的 .cpp文件 ） 利用工程来组合各个文件。 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 62 不使用条件编译的头文件 /main.cpp #include file1.h #include file2.h int main() /file1.h #include head.h /file2.h #include head.h /head.h class Point 多 文 件 结 构 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 63 使用条件编译的头文件 /head.h #ifndef HEAD_H #define HEAD_H class Point #endif 多 文 件 结 构 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 常成员函数的声明原则 适当地将成员函数声明为常成员函数， 能够提高代码质量。 凡是不会改变对象状态的函数，都应当 声明为常成员函数。 什么是改变对象状态？ 改变对象状态，不简单地等同于改变成员数 据的值。 只要一个成员函数执行与否，不会影响以后 接口函数的调用结果，都可以认为它不会改 变对象状态。 64 深 度 探 索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 常成员函数的声明原则 class Line /Line类的定义 public: /外部接口 Line(const Point private: /私有数据成员 Point p1, p2; /Point类的对象 p1,p2 double len; ; double Line:getLen() if (len < 0) double x = p1.getX() - p2.getX(); double y = p1.getY() - p2.getY(); len = sqrt(x * x + y * y); return len; 65 深 度 探 索 改变数据成 员，但不改 变对象状态 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 常成员函数的声明原则 在原则上，应当将 getLen声明为常成 员函数，但由于修改了数据成员的值， 语言规则不允许 怎么办？使用 mutable关键字 mutable关键字使得被修饰的成员对象无 视“常对象的成员对象被视为常对象” 这一语言原则 Mutable须慎用 66 深 度 探 索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 修改后的程序代码 67 深 度 探 索 class Line /Line类的定义 public: /外部接口 Line(const Point private: /私有数据成员 Point p1, p2; /Point类的对象 p1,p2 mutable double len; ; double Line:getLen() const if (len < 0) double x = p1.getX() - p2.getX(); double y = p1.getY() - p2.getY(); len = sqrt(x * x + y * y); return len; C+语言程序设计 清华大学 郑莉 代码的编译 编译：源文件 目标文件 源文件的函数代码 目标文件的代码段 源文件的静态对象 目标文件的数据段 分为初始化的数据段和未初始化的数据段 符号表：将静态对象与函数的名字与地 址关联 重定位信息、其它信息 68 深 度 探 索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 示例代码 (1) a.cpp extern int y; int func(int v); int main() int z = 1; y = func(z); return 0; 69 (main的代码 ) lea 0 x4(%esp),%ecx and $0 xfffffff0,%esp 代码段 （ .text） a.o 未定义 _Z4funci 未定义 y main 符号表 深 度 探 索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 示例代码 (2) 70 (func的代码 ) push %ebp mov %esp,%ebp 代码段 （ .text） (x的初值 ) 3 初始化的数据段 （ .data） (y) 未初始化的数据段 （ .bss） x y _Z4funci 符号表 b.o b.cpp int x = 3; int y; int func(int v) return v + x; 深 度 探 索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 代码的连接与执行 连接 将各段合并 将符号表综合 根据重定位信息，确定代码中用到的全局地 址 代码的执行 操作系统首先将文件从磁盘读入，初始化各 段 一些静态数据就在此时被初始化 从引导代码开始执行，引导代码启动 main， main返回后，引导代码通知操作系统程序 结束 71 深 度 探 索 C+语言程序设计 清华大学 郑莉 72 小结与复习建议 主要内容 作用域与可见性、对象的生存期、数据的共享 与保护、友元、编译预处理命令、多文件结构 和工程 达到的目标 深入理解程序的结构、模块间的关系、数据共 享。 实验任务 实验五