C++高级特性：面向对象描述数据结构

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本章内容深入探讨了如何使用C++语言描述数据结构，特别是通过面向对象的方式。作为C++程序设计的基础，它首先强调了熟练掌握C++编程和分析程序的重要性，这是进行数据结构和算法设计的前提。章节中并未详述基础语法，如赋值语句、if语句和循环结构，而是着重讲解了一些高级特性： 1. 参数传递方式：包括传值、引用和常量引用，这些概念对于理解函数如何处理输入数据至关重要。 2. 函数返回方式：探讨了返值、引用和常量引用的区别，它们影响着函数的效率和数据安全性。 3. 模板函数：C++的模板机制允许编写通用代码，适用于不同类型的数据，提高了代码的复用性。 4. 递归函数：递归是处理复杂数据结构和算法的有效手段，它涉及函数调用自身以解决问题。 5. 常量函数：这类函数不允许修改其内部状态，对于保证数据安全和性能优化很有帮助。 6. 内存管理：new与delete用于动态分配和释放内存，这是数据结构实现的关键步骤。 7. 异常处理：try-catch-throw结构用于处理程序运行过程中的错误和异常，确保程序的健壮性。 8. 类与模板类：面向对象的核心，展示了如何组织数据和行为，实现数据封装和继承。 9. 成员访问权限：共享成员、保护成员和私有成员决定了数据的可见性和封装程度。 10. 友元：友元允许特定类的对象访问其他类的私有或受保护成员，扩展了类的功能。 11. 操作符重载：允许自定义运算符的行为，增强代码的可读性和表达力。此外，本章还提供了实战示例，如动态数组、二次方程求解、排列生成和查找最大值等，帮助读者理解这些概念的实际应用。同时，还包括了测试和调试程序的方法，确保代码的质量和稳定性。章节最后强调，评估程序时要考虑多个方面，如正确性、可读性、文档完备性、灵活性和移植性等，这些因素在不同应用场景下的重要性各异。无论何时，程序的正确性始终是首要考虑的因素。通过深入学习和实践这些C++特性，读者将能更好地描述和设计数据结构，为实际编程项目打下坚实的基础。

题。例如，如果5 . 2 9 的计算机表示是5 . 2 8 9 9 9，那么加上0 . 0 0 1 将得到5 . 2 9 0 9 9 , 由此所计算出的

c e n t s就是2 9。

程序1-17 设置p r i v a t e 数据成员

bool Currency::Set(sign s, unsigned long d, unsigned int c)

{// 取值

if (c > 99) return false;

sgn = s; dollars = d; cents = c;

return true;

}

bool Currency::Set(float a)

{// 取值

if (a < 0) {sgn = minus; a = -a;}

else sgn = plus;

dollars = a; // 抽取整数部分

// 获取两个小数位

cents = (a + 0.005 - dollars) * 100;

return true;

}

程序1 - 1 8 给出了函数 A d d 的代码，该函数首先把要累加的两个货币数量转换成整数，如

$2.32 变成整数2 3 2，－$ 4 . 7 5变成整数－4 7 5 。请注意引用当前对象的数据成员与引用参数 x的

数据成员在语法上有所区别。 x . d o l l a r s 指定x 的数据成员dollars ，而当前对象使用d o l l a r s 时可

以直接引用d o l l a r s而不必在它的前面加上对象名。当函数 A d d终止时，局部变量 a 1 , a 2 , a 3 和a n s

被l o n g数据类型的析构函数删除，这些变量所占用的空间也将被释放。由于 C u r r e n c y对象a n s 将

被作为调用结果返回，因此必须把它复制到调用者的环境中，所以 A d d返回的是值。

程序1-18 累加两个C u r r e n c y

Currency Currency::Add(const Currency& x) const

{// 把 x累加到 * t h i s .

long a1, a2, a3;

Currency ans;

// 把当前对象转换成带符号的整数

a1 = dollars * 100 + cents;

if (sgn == minus) a1 = -a1;

// 把x转换成带符号的整数

a2 = x.dollars * 100 + x.cents;

if (x.sgn == minus) a2 = －a 2 ;

a3 = a1 + a2;

// 转换成 currency 形式

if (a3 < 0) {ans.sgn = minus; a3 = －a 3 ; }

else ans.sgn = plus;

ans.dollars = a3 / 100;

1 6 第一部分预备知识

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ans.cents = a3 - ans.dollars * 100;

return ans;

}

程序1 - 1 9给出了函数I n c r e m e n t和O u t p u t 的代码。在C + + 中，保留关键字t h i s用于指向当前对

象，*this 代表对象本身。看一下调用g . I n c r e m e n t ( h )。函数I n c r e m e n t的第一行调用了p u b l i c 成员

函数A d d ，它把x ( 这里是h) 加到当前对象上（这里是 g），所得结果被返回，并被赋给 * t h i s ，

* t h i s就是当前对象。由于该对象不是函数I n c r e m e n t 的局部对象，因此当函数结束时，该对象不

会自动被删除。所以可以返回一个引用。

程序1-19 Increment与O u t p u t

Currency& Currency::Increment(const Currency& x)

{// 增加量 x .

*this = Add(x);

return *this;

}

void Currency::Output () const

{// 输出currency 的值

if (sgn == minus) cout << '-';

cout << '$' << dollars << '.';

if (cents < 10) cout << "0";

cout << cents;

}

通过把C u r r e n c y类的成员变成私有（p r i v a t e ）,我们可以拒绝用户访问这些成员，所以用户

不能使用如下的语句来改变这些成员的值：

h.cents = 20;

h.dollars = 100;

h.sgn = plus;

利用成员函数来设置数据成员的值可以确保数据成员拥有合法的值。构造函数和 S e t函数

已经做到了这一点，其他函数当然也应该保证数据成员的合法性。因此，在诸如 A d d 和O u t p u t

函数的代码中不必验证c e n t s 是否介于0到1 0 0 之间。如果数据成员被声明为 p u b l i c 成员，它们的

合法性将难以保证。用户可能会错误地把 c e n t s 设置成3 0 5，因而将导致一些函数（如 O u t p u t 函

数）产生错误结果，所以，所有的函数在处理任务之前都必须验证数据的合法性。这种验证将

会降低代码的执行速度，同时也使代码不够优雅。

程序1 - 2 0给出了类C u r r e n c y的应用示例。这段代码假定类定义及实现都在文件 c u r r 1 . h之中。

我们一般把类定义和类实现分放在不同的文件中，然而，这种分开放置的方法可能会对后续章

节中大量使用模板函数和模板类带来困难。

函数m a i n的第一行定义了四个C u r r e n c y类变量：g, h, i 和j。除h 具有初值$ 3 . 5 0外，构造函

数把它们都初始化为$ 0 . 0 0 。在接下来的两行中， g 和i 分别被设置成－$ 2 . 2 5 和－$ 6 . 4 5 ，之后

调用函数A d d把g 和h 加在一起，并把所返回的对象（值为$ 1 . 2 5）赋给j。为此，需使用缺省的

赋值过程把右侧对象的各数据成员分别复制到左侧对象相应的数据成员之中，复制的结果是使

j 具有值$ 1 . 2 5，这个值在下一行被输出。

第 1章 C ++程序设计 1 7

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下两行语句把i 累加到h 上，并输出i的新值-$ 2 . 9 5 。接下来的一行首先把 i和g加在一起，

然后返回一个临时对象（其值为- $ 5 . 2 0 ），此后，把h 加到这个临时对象上并返回一个新的临

时对象，其值为-$ 1 . 7 0 。新的临时对象被复制到 j 中，然后输出j 的值（为- $ 1 . 7 0）。注意‘.’

序列的处理顺序是从左到右。

接下来的一行语句首先使用 I n c r e m e n t 为i累加g，它返回一个引用给i。A d d把i和h的和返回

给j，最后输出j 的结果为-$ 1 . 7 0，i 的结果为-$ 5 . 2 0。

程序1-20 Currency类应用示例

#include <iostream.h>

#include "curr1.h"

void main (void)

{

Currency g, h(plus, 3, 50), i, j;

g.Set(minus, 2, 25);

i . S e t ( - 6 . 4 5 ) ;

j = h.Add(g);

j.Output(); cout << endl;

i . I n c r e m e n t ( h ) ;

i.Output(); cout << endl;

j = i.Add(g).Add(h);

j.Output(); cout << endl;

j = i.Increment(g).Add(h);

j.Output(); cout << endl;

i.Output(); cout << endl;

}

1.4.2 使用不同的描述方法

假定已经有许多应用采用了程序 1 - 1 5中所定义的C u r r e n c y类，现在我们想要对 C u r r e n c y类

的描述进行修改，使其应用频率最高的两个函数 A d d 和I n c r e m e n t可以运行得更快，从而提高应

用程序的执行速度。由于用户仅能通过 p u b l i c部分所提供的接口与 C u r r e n c y 类进行交互，因此

对p r i v a t e 部分的修改并不会影响应用代码的正确性。所以可以修改 p r i v a t e 部分而不会使应用发

生变化。

在C u r r e n c y对象新的描述中，仅有一个私有数据成员，其类型为 l o n g 。数1 3 2 代表$ 1 . 3 2 ,

而-2 0代表-$ 0 . 2 0 。程序1-21, 1-22, 1-23中给出了C u r r e n c y类的新的描述方法以及各成员函数的

具体实现。

注意，如果把新代码放在文件 c u r r 1 . h中，则可以运行程序1 - 2 0中的代码而不需要做任何修

改。对用户隐藏实现细节的一个重大好处在于可以用新的、更高效的描述来取代以前的描述而

不需要改变应用代码。

程序1-21 Currency类的新定义

class Currency {

p u b l i c :

// 构造函数

1 8 第一部分预备知识

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sign sgn;

if (a < 0) {sgn = minus; a = -a;}

else sgn = plus;

amount = (a + 0.001) * 100;

if (sgn == minus) amount = -amount;

return true;

}

程序1-23 函数A d d 和O u t p u t 的新代码

Currency Currency::Add(const Currency& x) const

{// 把x 累加至 * t h i s .

Currency y;

y.amount = amount + x.amount;

return y;

}

void Currency::Output() const

{ / /输出currency 的值

long a = amount;

if (a < 0) {cout << '-' ; a = -a;}

long d = a / 100; // 美元

cout << '$' << d << '.';

int c = a

d * 100; // 美分

if (c < 10) cout << "0";

cout << c;

}

1.4.3 操作符重载

C u r r e n c y类包含了几个与 C + + 标准操作符相类似的成员函数，例如， A d d 进行 +操作，

I n c r e m e n t 进行 + = 操作。直接使用这些标准的 C + + 操作符比另外定义新的函数（如 A d d ，

I n c r e m e n t）要自然得多。可以借助于操作符重载（ operator overloading）的过程来使用+和+ = 。

操作符重载允许扩充现有C + + 操作符的功能，以便把它们直接应用到新的数据类型或类。

程序1 - 2 4给出了把A d d 和I n c r e m e n t 分别替换为+和+ =的类描述。O u t p u t 函数采用一个输出

流的名字作为参数。这些变化仅需修改 A d d 和O u t p u t 的代码（见程序1 - 2 3）。程序1 - 2 5 给出了修

改后的代码。在这个程序还给出了重载C + +流插入操作符< <的代码。

注意在C u r r e n c y 类中重载了流插入操作符，但没有定义相应的成员函数，而重载 +和+ = 时

则把它们定义为类成员。同样，也可以重载流抽取操作符 > >而不需要把它定义为类成员。请留

意，是函数O u t p u t支持了< <的重载。由于C u r r e n c y对象的p r i v a t e成员对于非类成员函数来说不

可访问（被重载的 < < 不是类成员，而 +是），所以，重载 < < 的代码不能引用对象 x的私有成员

（在< < 操作中x将被插入到输出流中）。特别地，下面的代码是错误的，因为成员 a m o u n t是不可

访问的。

// 重载< <

ostream& operator<< ( ostream& out, const Currency& x)

{ out << x.amount; return out; }

2 0 第一部分预备知识

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