📔 第 15 章 友元、异常和其它 学习笔记

1. 友元

友元函数用于类的扩展接口 中，类中不仅可以使用友元函数，也可以将类作为友元。

友元类的所有方法都可以访问原始类的私有成员和保护成员。

在一个类中将另一个类声明为友元。

friend class Remote

友元声明可以位于公有、私有或者保护部分，其所在的位置无关紧要。

如果要将友元类中的特定的类成员解析作为原始类的友元，无需将整个类作为友元。

class Tv
{
    friend void Remote::set_chan(tv & t, int c);
    ...
};

将类声明为友元时，需要注意：将类声明放在包含友元类的前面。 这种方法称为 前向声明（forward declaration） 。

class Tv;  // 前向声明
class Remote {...};

class Tv {...};

内联函数的链接性是内部的，意味着函数定义必须在使用函数的文件中。也可将定义放在实现文件中，但必须删除 关键字inline，此时的链接性是外部的。

将类成为彼此的友元的实现方式。例如：

class Tv
{
    friend class Remote;
    public:
        void buzz(Remote & r);
        ...
};
class Remote
{
    friend class Tv;
    public:
        void Bool volup(Tv & t) {t.volup();}
};
inline void Tv::buzz(Remote & r)
{
    ...
};

2. 嵌套类

在C++中，可以将类声明放在另一个类中。在另一个类中声明的类被称为 嵌套类（nested class）。

当类声明位于公有部分时，才能包含类的外面使用嵌套类，而且必须使用作用域解析运算符。

对类进行嵌套和组合不同。 - 组合将类对象作为另一个类的成员。 - 对类进行嵌套不创建类成员，而是定义一种类型（类型仅包含嵌套类声明的类中有效）。

对类进行嵌套是为了实现另一个类，并避免名称冲突。

嵌套类的访问权限控制

• 嵌套类的声明位置决定了嵌套类的作用域，决定了程序的哪些部分可以创建其类的对象。
• 和其它类一样，嵌套类的公有部分、私有部分和保护部分控制了对类成员的访问。

嵌套类访问的两种方式：

• 作用域

  • 嵌套类的作用域为包含它的类，在类外部使用，则需要使用类限定符。

• 访问控制

• 对嵌套类访问控制规则与常规类相同。

  类声明的位置决定了类的作用域可见性。 - 类可见后，访问控制规则（公有、保护、私有、友元）将决定程序对嵌套类成员的访问权限。

3. 异常

异常是C++相对较新的功能，早期老编译器中可能会没有实现，但新的编译器中则是默认关闭了该特性。所以需要使用编译器选项来开启。

3.1 返回abort()

调用位于头文件cstdlib（或stdlib.h）的Abort() 函数。

典型实现：想标准错误（即cerr使用的错误流）发送消息 abnormal program termination（程序异常终止） ，然后 终止程序 。还返回一个随实现而异的值，告知OS（如果程序是由另一个程序调用，则告诉父进程），处理失败。

• abort() 是否刷新文件缓冲区（用于存储读写到文件中的数据的内存区域）取决于实现。
• exit()：会刷新文件缓冲区，则不显示消息。

一般情况下，显示程序的异常中断消息随编译器而不同。

3.2 程序错误码

一种比异常终止更灵活的方式：使用函数的返回值来指出问题。

任何数值都是有效的返回值，所以不存在可用于指出问题的特殊值。

一般使用指针参数或者引用参数来将值返回给调用程序，并使用函数的返回值来指出成功还是失败。

3.3 异常机制

C++异常是对程序运行过程中发生的异常情况的一种响应。

对异常的处理有3个组成部分：

• 引发异常

  • 关键字throw 表示引发异常，后面紧跟值用来指出异常特征。

• 使用处理程序捕获异常

  • 关键字catch 表示捕获异常，后面括号中紧跟类型声明来指出异常处理程序要响应的异常类型。其后的代码块则指出采取的措施。

• 使用 try块

  • 标识特定的异常可能被激活的代码块，后面紧跟一个或多个catch块。
  • 表面需要注意代码引起的异常。

#include <iostream>
double hmean(double a,double b);

int main()
{
    double x,y,z;
    std::cout << "Enter tow number :";
    while (std::cin >> x >> y)
    {
        try{
            z = hmean(x,y); // 如果程序输入的值不对，则会使用catch块来对异常进行处理
        }
        catch (const char *s){
            std::cout << s << std::endl;
            std::cout << "Enter a new pair of numbers :";
            continue; // 结束while循环的剩余部分，重新从while语句开始
        }
        std::cout <<"Harmonic mean of " << x << " and " << y << " is " << z <<std::endl;
        std::cout << "Enter next set of number <q to quit> : ";
    }
    std::cout << "Bye !! \n";
    return 0;
}

double hmean(double a ,doubel b)
{
    if (a == -b)
    // throw 用于执行返回语句，会终止函数的执行
    // throw不是将控制权返回给调用程序，而是导致程序沿函数调用序列后退，直到找到包含try块的函数
        throw "bad hmean() arguments : a = -b not allowed ";
    return 2.0 * a * b / (a + b);
}

3.4 异常规范和C++11

异常规范是C++98中的一项功能，在C++11中已摒弃。但也需要了解：

double harm(double a) throw(bad_thing); // 可能会抛出异常，只会抛出 bad_thing 类型的异常
double marm(double) throw(); // 不会抛出异常

throw()部分是异常规范，可能出现在函数原型和函数定义中，可包含类型列表，也可不包含。

异常规范的两个作用：

• 告知可能需要使用 try块。
• 让编译器添加执行运行阶段检查代码是否违反异常规范。

C++11中支持了一种特殊的异常规范：使用新增的 关键字noexcept 指出函数不会引发异常。

double marm() noexcept; // 

3.5 栈解退

当函数调用出现异常而终止，则程序释放栈中的内存，但不会释放栈的第一个返回地址后停止，而是继续释放栈，直到找到第一个 try块 中的返回地址，这个过程叫 栈解退。

异常机制将负责释放栈中的自动变量。

3.6 其它异常特性

引发异常时编译器总是创建一个临时拷贝，即使异常规范和catch块中指定的是引用

引用作为返回值的原因：避免创建副本以提高效率。

如果有一个异常类继承层次结构，排序catch块的规则：将捕获位于层次结构最下面的异常类的catch语句放在最前面，将捕获基类异常的catch语句放在最后面。

如果不知道异常的类型，方法是省略号来捕获任何异常。

catch () {/* statement */} // catch any type exception

如果可以预知一些异常类型，类似于switch语句的使用。

try{
  duper();
}
catch(bad_3 &be)
{
  // statement
}
catch(bad_2 &be)
{
  // statement
}
catch(bad_1 &be)
{
  // statement
}
catch(bad_hmean &h)
{
  //statement
}
catch(...)
{
  // statement
}

3.7 exception类

C++异常的主要目的：设计容错程序时避免一些错误处理方式。

在C++中 exception头文件中定义了 exception类，类中的 what() 虚拟成员函数，会返回一个字符串，字符串的特征随实现而异。

#include <exception>
// 派生多个异常来处理
class bad_hmean : public std::exception
{
  public:
    const char * what() {return "bad arguments to hmean()";}
    ...
};
class bad_gmean : public std::exception
{
  public:
    const char * what() {return "bad arguments to gmean() ";}
    ...
};

// 直接使用一个基类来处理
try {
  ...
}
catch(std::exception & e)
{
  cout << e.what() << std::endl;
}

C++定义的基于exception的异常类型

• stdexcept异常类

  • 头文件stdexcept定义的其它几个异常类，例如：logic_error 和 runtime_error类，都是从公有方式从exception派生而来。

  class logic_error : public exception {
    public:
      exception logic_error(const string& what_arg);
      ...
  };
  class domain_error : public exception {
    public:
      explicit domain_error(const string& what_arg);
      ...
  }
  

  • 这些类的构造函数接受一个string对象作为参数，参数提供了方法 what() 以 C风格字符串方式返回字符数据。

    • logic_error 派生出来用于报告错误类型的类还有：

      • 逻辑错误，任何阶段
      • domain_error：传递给函数的参数不在定义域内而引发异常
      • invalid_error：传递了一个意料之外的值
      • length_error：指出没有足够的空间来执行所需的操作。
      • out_of_bounds：用于指示索引错误。

    • runtime_error 类型派生出来的类：

      • 错误发生在运行阶段
      • range_error：不在函数允许的范围内，和上溢、下溢无关。
      • overflow_error：上溢。整型和浮点型都有可能。
      • underflow_error：下溢。要发生在浮点数计算。

  • 每一个类都有自己的构造函数，使 what()方法 能够返回的字符串。

• bad_alloc异常和new

  • new 请求的内存分配失败，则会引发 bad_alloc的异常错误。
  • 数组中最为常见。

• 空指针和new

  • new 分配内存失败，则会返回一个空指针。也是从exception类派生而来。所以C++标准提供了用法：

    int * pi = new (std::nothrow) int;
    int * pa = new (std::nowthrow) int[500];
    

3.8 异常丢失

异常被引发后，会导致问题的两种情况：

• 意外异常（unexpected exception）：在带异常规范的函数中引发，但必须与规范列表中的某种异常匹配。

  • 可以通过调用 terminate()（默认行为）、abort() 或者 exit() 来终止程序
  • 引发异常

• 未捕获异常（uncaught exception）：在没有try和catch块外抛出的异常。

  • 不会导致程序立即异常停止。

引发异常(第二种选择)的结果取决于unexpected_handler函数所引发的异常以及引发意外异常的函数的异常规范：

• 如果新引发的异常与原来的异常规范 匹配，则程序将从那里开始进行正常处理，即寻找与新引发的异常匹配的catch块。基本上是用预期的异常取代意外异常。

• 如果新引发的异常和原来的异常规范 不匹配，切异常规范中没包括 std::bad_exception 类型，则程序调用 terminate()。bad_exception 是从 exception类派生而来。声明位于头文件execption中。

• 如果新引发的异常与原来 不匹配，且原来的异常规范中包含 std::bad_exception 类型，则不匹配的异常被 std::bad_exception 异常所取代。

如果要捕获所有的异常，则方法如下：

// 1. 确保已声明异常头文件
#include <exception>
using namespace std;

// 2. 设计替代函数，将意外异常转换为 bad_exception 异常
void myexception()
{
  throw std::bad_exception {};
}

// 3. 将bad_exception 类型包含在异常规范中，并添加到catch块中
double Argh(double,double) throw(out_of_bounds, bad_exception);
...
try {
  x = Argh(a,b);
}
catch (out_of_bounds & ex)
{
  ...
}
catch (bad_exception & ex)
{
  ...
}

4. RTTI

RTTI（Runtime Type Identification，运行阶段类型识别），C++11中新添加的新特性。

RTTI旨在为程序在运行阶段确定对象的类型提供一种标准方式。

RTTI只适用于包含虚函数的类。

C++中支持RTTI的3个元素

• dynamic_cast运算符：将使用一个指向基类的指针类生成一个指向派生类的指针，否则该运算返回0 ---- 空指针。
• typeid运算符：返回一个指出对象的类型的值
• type_info结构：存储有关特定类型的信息。

只有将RTTI用于包含虚函数的类层次结构，原因在于只有对于这种类层次结构，才应该将派生类对象的地址赋给基类指针。

4.1 dynamic_cast 运算符

是最常用的RTTI架构。

只有指针类型与对象的类型（或对象的直接或间接基类的类型）相同的类型转换才一定是安全的。

语法格式：

Superb *pm = dynamic_cast<Superb *pg> // 如果类型检查转换成功，则直接返回并进行赋值，否则得到一个空指针。

即使编译器支持RTTI，但在默认情况下，也可能是关闭该特性。

dynamic_cast 也可以用于引用。因为没有与空指针对应的引用值，所以无法使用特殊的引用值来指示失败。所以失败了，就会引发 bad_cast 的异常。

try {
  Superb & rs = dynamic_cast<Superb &> (rg);
  ...
}
catch (bad_cast &) {
  ...
};

4.2 typeid 运算符 和 type_info 类

typeid 运算符使能够确定两个对象是否为同种类型。接受两种参数：

• 类名
• 结果为对象的表达式

typeid 运算符返回一个type_info对象的引用，其中 type_info 在头文件 typeinfo中定义的一个类。

typ_info类 重载 == 和 != 运算符，以便于使用对类型进行比较。

示例

typeid(Magnificent) == typeid(*pg) // 将pg指向一个 Magnifgicent 对象，表达式返回结果为True，否则为False。

typeid测试用来选择一种操作，因为操作不是类的方法，所以 不能通过类指针来调用它。

5. 类型转换运算符

假设 High 和 Low 是两个类。

通过4种类型转换运算符来使得转换过程增加规范。

• dynamic_cast

  • 能够在类层次结构中进行向上转换，而不允许其他转换。

  dynamic_cast <type_name> (expression) // 判断expression是否可以转换成为 type_name 类型
  

• const_cast

  • 用于执行只有一种用途的类型转换，即改变值为const或者volatile。语法和 dynamic_cast相同

  // 语法格式
  const_cast <type_name> (expression) // 删除const属性，使变成可修改对象
  // 示例
  High bar;
  const High *pbar = &bar;
  High *pb = const_cast <High *> (pbar); // 让*pb可成为一个用于修改bar对象值的指针。删除const属性
  

• static_cast

  • type_name 和 expression互相隐式转换为其所属的类型时，转换才合法，否则将出错。

  static_cast <type_name> (expression)
  

• reinterpret_cast

  • 转换适用于依赖于实现的底层编程技术，具有不可移植性。
  • 不做任何处理，也不能删除const属性
  • 不支持所有的类型转换
    • 可以将指针类型转换为足以存储指针表示的类型，但不能将指针转换为更小的整型或者浮点型。
    • 不能将函数指针转换为数据指针。

  reinterpret_cast <type_name> (expression)