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C++ 类成员函数（建议收藏）

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前言

在 C++ 面向对象编程中，类成员函数是连接类设计与实际功能的核心纽带。它如同房屋中的设施：类是房屋的蓝图，成员函数则是房间里的电器、家具等可操作的实体。无论是实现数据封装、行为定义，还是支持多态性，成员函数都扮演着不可替代的角色。本文将通过循序渐进的方式，结合案例与代码示例，帮助读者掌握这一重要概念。

一、成员函数的基本概念与定义

1.1 什么是成员函数？

成员函数是类的一部分，用于描述类对象的行为。其本质是“依附于类”的函数，必须通过类实例或类名调用。例如：

class Car {
public:
    void start() { /* 启动引擎的逻辑 */ }
};

这里的 start() 是 Car 类的成员函数，它描述了“启动引擎”这一行为。

1.2 成员函数的定义方式

成员函数可以在类内定义（内联函数）或类外定义（需指明所属类）。例如：

// 类内定义（内联函数）
class Dog {
public:
    void bark() { cout << "汪！"; }
};

// 类外定义
class Cat {
public:
    void meow(); // 声明
};

void Cat::meow() { // 定义时需用作用域解析符
    cout << "喵～";
}

类外定义的优势：代码结构更清晰，便于维护。

二、成员函数的分类与特性

2.1 普通成员函数

普通成员函数直接操作类的非静态成员，通过对象调用。例如：

class Student {
private:
    string name;
public:
    void setName(string n) { name = n; }
    string getName() { return name; }
};

int main() {
    Student s;
    s.setName("张三"); // 通过对象调用成员函数
    cout << s.getName();
}

特性：

  • 隐式传递 this 指针（指向调用对象的指针）。
  • 可访问类的私有成员、保护成员和公有成员。

2.2 静态成员函数

静态成员函数属于类本身，而非某个对象。它不能直接访问非静态成员，通过 类名::函数名() 调用。

class Counter {
private:
    static int count; // 静态成员变量
public:
    static void increment() { count++; }
};

int Counter::count = 0; // 静态变量需类外初始化

int main() {
    Counter::increment(); // 无需对象实例
}

使用场景：

  • 统计类的实例数量。
  • 实现工具类的静态方法。

2.3 构造函数与析构函数

构造函数在对象创建时自动调用，析构函数在对象销毁时执行。它们是特殊的成员函数，无返回类型且与类名相同。

class Box {
public:
    Box(double l, double w, double h) { /* 初始化 */ }
    ~Box() { /* 释放资源 */ }
};

注意事项：

  • 构造函数可重载（不同参数列表）。
  • 析构函数不可重载且无参数。

三、成员函数的实现细节

3.1 内联函数（Inline Function）

通过 inline 关键字或类内定义实现内联，减少函数调用开销。

class Calculator {
public:
    inline int add(int a, int b) { return a + b; }
};

何时使用：

  • 函数体简单且频繁调用。
  • 避免在循环中使用复杂逻辑的内联函数。

3.2 this 指针的作用

this 是指向调用对象的隐式指针，可用于：

  1. 区分成员变量与参数
  2. 返回当前对象（支持链式调用）
class Person {
private:
    string name;
public:
    void setName(string n) {
        name = n; // 可写为 this->name = n;
    }
    Person& operator=(const Person& p) {
        if (this != &p) { /* 避免自我赋值 */ }
        return *this; // 返回引用支持链式赋值
    }
};

3.3 const 成员函数

通过 const 修饰的成员函数承诺不修改对象状态，增强代码安全性。

class Circle {
private:
    double radius;
public:
    double getRadius() const { return radius; } // 声明为 const
    void setRadius(double r) { radius = r; }
};

int main() {
    const Circle c; // 常量对象只能调用 const 成员函数
    c.getRadius(); // 合法
    c.setRadius(5); // 报错：无法修改常量对象
}

四、进阶特性与常见问题

4.1 虚函数与多态性

通过 virtual 关键字定义虚函数，实现运行时多态。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数，定义抽象类
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    double area() const override { return width * height; }
};

关键点：

  • 纯虚函数使类成为抽象基类。
  • override 关键字确保正确覆盖基类虚函数。

4.2 友元函数（非成员函数）

友元函数通过 friend 关键字声明，可访问类的私有成员，但不属于类的一部分。

class BankAccount {
private:
    double balance;
    friend void printBalance(const BankAccount& acc); // 声明友元
};

void printBalance(const BankAccount& acc) {
    cout << "余额：" << acc.balance; // 直接访问私有成员
}

争议点：过度使用会破坏封装性，需谨慎。

五、实际案例：学生信息管理系统

#include <iostream>
using namespace std;

class Student {
private:
    string name;
    int age;
    static int totalStudents; // 静态成员变量

public:
    // 构造函数
    Student(string n, int a) : name(n), age(a) {
        totalStudents++;
    }

    // 成员函数
    void display() const {
        cout << "姓名：" << name << "，年龄：" << age << endl;
    }

    // 静态成员函数
    static int getTotalStudents() {
        return totalStudents;
    }

    // 析构函数
    ~Student() {
        totalStudents--;
    }
};

// 静态成员变量的初始化
int Student::totalStudents = 0;

int main() {
    Student s1("Alice", 20);
    Student s2("Bob", 22);

    cout << "总学生数：" << Student::getTotalStudents() << endl;
    s1.display();
    s2.display();

    return 0;
}

输出结果：

总学生数：2  
姓名：Alice，年龄：20  
姓名：Bob，年龄：22

六、常见问题解答

Q1：静态成员函数能否访问非静态成员？

A：不能。静态成员函数不与具体对象关联，无法隐式获取 this 指针。

Q2：构造函数是否必须显式定义？

A：不必须。若未定义默认构造函数，编译器会自动生成一个无参数的默认构造函数。

Q3：const 成员函数能否修改成员变量？

A：不能。但可通过 mutable 关键字修饰的变量例外。

结论

C++ 类成员函数是面向对象编程的核心工具，它通过封装、多态等特性，为复杂系统的构建提供了强大支持。从基础的普通成员函数到静态、虚函数，再到高级的 const 和友元机制，掌握这些概念能显著提升代码的可维护性和扩展性。希望本文能帮助读者建立清晰的思维框架，为深入探索 C++ 开发奠定基础。

通过本文的案例与分析，读者可进一步尝试：

  1. 实现一个支持多态的图形计算类
  2. 使用 this 指针实现链式操作
  3. 设计包含静态成员的单例模式类

掌握成员函数的精髓，将使您在构建高质量 C++ 程序时更加得心应手。

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