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C++筆記主要參考侯捷老師的課程，這是一份是C++物件導向程式設計（Object Oriented Programming）的part1部分，這一部分講述的是以良好的習慣構造C++類，基於物件（object based）講述了兩個c++類的經典例項——complex類和string類。看這份筆記需要有c++和c語言的基礎，有一些很基礎的不會解釋。
markdown檔案可以從GitHub中下載，連結：https://github.com/FangYang970206/Cpp-Notes, 推薦使用typora開啟。
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C++歷史
談到c++，課程首先過了一遍歷史，c++是建立在c語言之上，最早期叫c++ with class，後來在1983年正式命名為c++，在1998年，c++98標誌c++1.0誕生，c++03是c++的一次科技報告，加了一些新東西，c++11加入了更多新的東西，標誌著c++2.0的誕生，然後後面接著出現c++14，c++17，到現在的c++20。
C++的組成
C++ 與 C 的資料和函式區別
在c語言中，資料和函式是分開的，構造出的都是一個變數，函式通過變數進行操作，而在c++中，生成的是物件，資料和函式都包在物件中，資料和函式都是物件的成員，這是說得通，一個物件所具有的屬性和資料應該放在一塊，而不是分開，並且C++類通常都是通過暴露介面隱藏資料的形式，讓使用者可以呼叫，更加安全與便捷。
下圖為part1兩個類的資料和函式分佈，可以看看：
基於物件與物件導向的區別
基於物件（Object Based）：面對的是單一class的設計
物件導向（Object Oriented）：面對的是多重classes 的設計，classes 和classes 之間的關係。
顯然，要寫好物件導向的程式，先基於物件寫出單個class是比不可少的。
C++類的兩個經典分類
一個是沒有指標的類，比如將要寫的complex類，只有實部和虛部，另一個就是帶有指標的類，比如將要寫的另一個類string，資料內部只有一個指標，採用動態分配記憶體，該指標就指向動態分配的記憶體。
標頭檔案防衛式宣告
從這開始介紹complex類，首先是防衛式宣告，與c語言一樣，防止標頭檔案重複包含，上面是經典寫法，還有一個# pragma once的寫法，兩者的區別可以參考這篇部落格。
標頭檔案的佈局
首先是防衛式宣告，然後是前置宣告（宣告要構建的類，這個例子中還有友元函式），類宣告中主要寫出這個類的成員資料以及成員函式，類定義部分則是將類宣告中的成員函式進行實現。
類的宣告
這裡的complex類是侯捷老師從c++標準庫中擷取的一段程式碼，足夠說明問題，complex類主體分為public和private兩部分，public放置的是類的初始化，以及複數實虛部訪問和運算操作等等。private中主要防止類的資料，目的就是要隱藏資料，只暴露public中的介面，private中有double型別的實虛部，以及一個友元函式，這個友元函式實現的是複數的相加，將用於public中的+=操作符過載中，在public中，有四個函式，第一個是建構函式，目的是初始化複數，實虛部預設值為0，當傳入實虛部時，後面的列表初始化會對private中的資料進行初始化，非常推薦使用列表初始化資料。第二個是過載複數的+=操作符，應該系統內部沒有定義複數運算操作符，所以需要自己過載定義。第三個和第四個是分別訪問複數的實部和虛部，可以看到在第一個大括號前面有一個const，這個原因將在後面講述（加粗提醒自己），只要不改變成員資料的函式，都需要加上const，這是規範寫法。
類别範本簡介
由於我們不光是想建立double型別的複數，還想建立int型別的複數，愚蠢的想法是在實現一遍int類的complex，這時候類别範本派出用場了，模板是一個很大的話題，侯捷老師有一個專門課程講模板，筆記也會更新到那裡。模板可以只寫一份模板程式碼，需要生成不同型別的class，編譯器會自動生成，具體做法是在類定義最上方加入template
內聯（inline）函式
行內函數和普通函式的區別在於：當編譯器處理呼叫行內函數的語句時，不會將該語句編譯成函式呼叫的指令，而是直接將整個函式體的程式碼插人呼叫語句處，就像整個函式體在呼叫處被重寫了一遍一樣。是一種空間換取時間的做法，當函式的行數只有幾行的時候，應該將函式設定為內聯，提高程式整體的執行效率。更加詳細的說明可以參考這篇文章. （補充：在類的內部實現的函式編譯器會自動變為inline，好像現在新的編譯器可以自動對函式進行inline，無需加inline，即使加了編譯器也未必真的會把函式變為inline，看編譯器的判斷)
訪問級別
這裡上面說過，private內部的函式和成員變數是不能被物件呼叫的，可以通過public提供的介面對資料進行訪問。
函式過載
c++中允許“函式名”相同，但函式引數需要不同（引數後面修飾函式的const也算是引數的一部分），這樣可以滿足不同型別引數的應用。上述中就有不同的real，不必擔心它們名字相同而反正呼叫混亂，相同函式名和不同引數，編譯器編譯後的實際名稱會不一樣，實際呼叫名並不一樣，所以在開始的函式名打了引號。另外，寫相同函式名還是要注意一下，比如上面有兩個建構函式，當使用complex c1初始化物件時，編譯器不知道呼叫哪一個建構函式，因為兩個建構函式都可以不用引數，這就發生衝突了，第二個建構函式是不需要的。
建構函式的位置
一般情況下，建構函式都放在public裡面，不然外界無法初始化物件，不過也有例外的，有一種單例設計模式，就將建構函式放入在private裡面，通過public靜態（static）函式進行生成物件，這個類只能建立一份物件，所以叫單例設計模式
引數傳遞
引數傳遞分為兩種：pass-by-value和pass-by-reference
一條非常考驗你是否受過良好c++訓練就是看你是不是用pass-by-reference。傳值會分配區域性變數，然後將傳入的值拷貝到變數中，這既要花費時間又要花費記憶體，傳引用就是傳指標，4個位元組，要快好多，如果擔心傳入的值被改變，在引用前加const，如果函式試圖改變，就會報錯。
返回值傳遞
與引數傳遞一樣，返回值傳引用速度也會很快，但有一點是不能傳引用的，如果你想返回的是函式內的區域性變數，傳引用後，函式所分配的記憶體清空，引用所指的區域性變數也清空了，空指標出現了，這就很危險了。（引用本質上就是指標，主要用在引數傳遞和返回值傳遞）
友元
友元函式是類的朋友，被設定為友元的函式可以訪問朋友的私有成員，這個函式（do assignment plus）用來做複數加法的具體實現。第一個引數是複數的指標，這個會在this一節中進行說明。
另外還有一種情況很有意思，如下圖所示，複數c2可以訪問c1的資料，這個也是可以的，這可能讓人感到奇怪，侯捷老師說了原因：相同類的各個物件互為友元。所以可以c2可以訪問c1的資料。
操作符過載（一），this， cout
上面介紹的__doapl函式將在操作符過載中進行呼叫，可以看到第一個引數是this，對於成員函式來說，都有一個隱藏引數，那就是this，this是一個指標，指向呼叫這個函式的物件，而操作符過載一定是作用在左邊的物件，所以+=的操作符作用在c2上，所以this指向的是c2這個物件，然後在__doapl函式中修改this指向c2的值。
另外，還記得上面說過<<運算子過載嘛，它作用的不是複數，而是ostream，這是處於使用者習慣的考量，作用複數的話將形成complex<<cout的用法，這樣很不習慣，用於ostream就跟平常使用的cout一樣，另外，下面這個函式返回的引用，那麼就可以構成cout << c2 << c1這種連串列印的程式（與平常的習慣，cout << c2返回的依然是cout的引用，又可以呼叫<<過載函式，如果不是引用，則會報錯，侯捷老師講到這，真感覺標準庫的設計真是厲害。另外，每次向os傳入值列印時，os的狀態會發生改變，所以os不能加const。上面複數的加法由於返回的是引用，也可以構成c3 += c2 += c1這樣的程式。
操作符過載（二）非成員函式，無this，臨時物件
由於使用者可能有多種複數的加法，所以要設計不同的函式滿足使用者的要求，由於帶有其他型別的引數，所以沒有放入complex類中，放在外面定義，這裡的有一個非常有趣的使用，返回的直接是complex（ xx， xx），沒見過呢，這個語法是建立一個臨時物件，這個臨時物件在下一行就消亡了，不過沒關係，我們已經把臨時物件的值傳到返回值了。由於是臨時物件，所以返回值不能是引用，必須是值。
好了，complex的相關細節寫得差不多，有些沒寫，上面都提到了，還有些操作符過載，與加法類似，不重複寫了。具體參考complex.h，下面進入string類的實現。
Big Three ---string class begin
與complex一樣，string類的整個實現分佈如上圖，右邊的是測試的程式。
下面來看看string的縮小版實現：
由於字串不像複數那樣固定大小，而是可大可小，所以在實現string類的時候，私有資料是一個指標，指向動態分配的char陣列，這樣就可以實現類似動態字串大小。這個小章節叫big three，這裡的big three分別是，拷貝構造（String(const String & str) )，拷貝賦值（String& operator=(const String& str))，以及解構函式（ ~String()) 。為什麼要有big three，這個馬上就會介紹。
建構函式與解構函式
在建構函式中，如果沒有傳入字串，則string申請動態分配一個char[1], 指向的就是'\0'，也就是空字元，如果傳入的是“hello”, 則動態分配“hello”的長度再加一(一代表結束識別符號'\0')，都是用string內部的指標指向動態分佈的記憶體的頭部。為什麼多了一個解構函式呢？在complex類為啥沒有呢？這是因為complex中沒有進行動態分配記憶體，在複數死亡後，它所佔用的記憶體全部釋放，完全ok，但string類動態分配了記憶體，這份記憶體在物件的外部，不釋放記憶體的話，在物件死亡後依然存在，這就造成記憶體洩漏，所以需要構建一個解構函式，在物件死亡釋放動態分配的記憶體。動態分配使用的時new命令，返回的是分配出來的記憶體的首地址，釋放動態分配記憶體使用delete命令，如果分配的是陣列物件，則需要在delete後加上[]，如果是單個，直接delete指向的指標即可。上面就有兩種情況的例項。
拷貝構造與拷貝賦值
complex類其實內部存在c++語言自身提供的拷貝構造和拷貝賦值，不需要自己寫，因為沒有指標的類的資料賦值無非就是值傳遞，沒有變化。但string類不一樣，上面的圖是很好的例子，因為使用的是動態分配記憶體，物件a和物件b都指向外面的一塊記憶體，如果直接使用預設的拷貝構造或者拷貝賦值（例如將b = a），則是將b的指標指向a所指的區域，也就是a的動態分配記憶體的首地址，原來b所指向的記憶體就懸空了，於是發生記憶體洩漏，而且兩個指標指向同一塊記憶體，也是一個危險行為。所以帶有指標的類是不能使用預設的拷貝構造和拷貝賦值的，需要自己寫。下面看看怎麼寫的。
首先是拷貝構造，由於是建構函式一種，跟之前的建構函式一樣，需要分配一塊記憶體，大小為要拷貝的string的長度+1，然後使用C語言自帶的strcpy進行逐個賦值。
上面這個拷貝賦值，首先檢查是不是自我賦值，只要有這種情況發生，就要考慮，自我賦值則直接返回this所指的物件就可以了，如果不是自我賦值，則刪除分配的記憶體，重新分配記憶體，長度為傳入字串的長度+1，同理使用strcpy函式進行逐個賦值。
自我賦值的檢查很重要，沒有自我檢查，就會發生上面的情況，一執行程式的第一句話，記憶體就釋放了，指標就又懸空了，不確定行為產生。
string剩餘一點放到這裡面，列印直接呼叫get_c_str成員函式就可以，返回指標，os會遍歷它所指向的記憶體，列印出字串，遇到'\0'終止。
生命期——堆，棧，靜態，全域性
c1 便是所謂stack object，其生命在作用域(scope) 結束之際結束。這種作用域內的object，又稱為auto object，因為它會被「自動」清理。p所指的便是heap object，其生命在它被deleted 之際結束，所以要在指標生命結束之前對堆記憶體進行釋放。
上面的c2和c3分別是靜態物件和全域性物件，作用域為整個程式。以下是它們四個的記憶體分佈，更具體的細節可以參考這篇文章。
重探new與delete
可以到使用new命令動態分配記憶體，主要有以下三步，首先分配要構建物件的記憶體，返回的是一個空指標，然後對空指標進行轉型，轉成要生成物件型別初始化給指標，然後指標呼叫建構函式初始化物件。
可以看到delete操作可以分為兩步，首先通過解構函式釋放分配的記憶體，然後通過操作符delete（內部呼叫free函式）釋放物件記憶體。
探究動態分配過程的記憶體塊
上圖中就是vc建立complex類以及string類的記憶體塊圖，左邊兩個是complex類，長的那個是除錯（debug）模式下的記憶體塊分佈，短的那個是執行（release）模式下的記憶體塊分佈，複數有兩個double，所以記憶體佔用8個位元組，vc除錯模式下，除錯的資訊部分記憶體佔用是上面灰色塊的32個位元組以及下面灰色塊的4個位元組，紅色的代表記憶體塊的頭和尾（叫cookie），佔用八個位元組，合在一起是52個位元組，vc會以16個位元組對齊，所以會填充12位元組，對應的是pad的部分，另外，為了凸顯這是分配出去的記憶體，所以在頭尾部分，用最後一位為1代表該記憶體分配出去了，為0就是收回來了。執行模式下沒有除錯資訊。string類類似分析。
動態分配array需要注意的問題
上面是動態分配記憶體，生成complex類的陣列以及string類的陣列的記憶體塊圖，與上面類似，不過這裡多了一個長度的位元組，都為3，標記物件的個數。
上面說明的是，如果分配的是動態物件陣列，就一定要在delete後面加上[]符號，不然就無法完全釋放動態分配的記憶體。array new一定要搭配array delete。
part1到此結束。