深入理解 static 关键字 2

发布于 2023-06-03 23:00:36 字数 4449 浏览 58 评论 0

上一篇文章当中讨论了 C 语言中 static 关键字的用法。这一篇来看一下 C++ 中的 static。C 语言中的用法在 C++ 中一样适用，但是 C++ 中 static 又新增了一种用法，用来修饰类的成员，称为类的静态成员。

1.static 修饰类的成员

类的静态成员不属于任何对象，类的实例中不包含任何与静态数据成员有关的数据。举个例子：

// teacher.h
class teacher {
public: 
    teacher() {}
    teacher(std::string n, double a):name(n), age(a){}
    inline static double getSalary();
private:
    inline static double initSalary();
private:
    std::string        name;
    int                age;
    static double      salary;
};

// main.cpp
...
// double teacher::salary = initSalary();
double teacher::salary = 1000.0;
int main()
{

    teacher a;
    teacher b("vincent", 26);
    cout << teacher::getSalary() << endl;
    ...
}

在这个例子当中，我们定义了一个teacher类，teacher类数据成员包含name和age，同时声明了一个static double类型变量salary，用于保存老师的工资。前面说过，静态的数据成员不属于任何对象，这个类的所有对象共享同一个salary变量(这真是一个大同社会，所有老师都一样没钱，只是大家都吃大锅饭，不知道这个社会能维持多久不崩盘，哈哈）。

我们用gdb来验证一下前面的说法。

$ gdb a.out
Temporary breakpoint 1, main () at testteacher.cpp:10
...
(gdb) p b
$1 = {name = {...}, age = 26, static salary = 1000}
(gdb) p sizeof(b) 
$2 = 28
(gdb) p sizeof(b.name)
$3 = 24
(gdb) p sizeof(b.age)
$4 = 4
(gdb)

可以看到b对象共占用了28个字节，其中 name 是一个 string 对象，占用了24个字节；age占用了4个字节，一共占用了28个字节，salary是静态变量不在b对象的内存空间中。

2. static 修饰数据成员

因为静态数据成员不属于类的任何一个对象，所以它们不是在创建类的对象时被定义的。也就是说他们不是由类的构造函数初始化的。一般来说，不能在类的内部初始化静态成员。相反，必须在类的外部定义和初始化每个静态成员。一个静态数据成员只能定义一次。

静态数据成员定义在任何函数之外，存储在内存的静态存储区，因此一旦被定义，就将一直存在于程序的整个生命周期。

在这个例子当中，初始化静态成员salary的方式有两种：

1. double teacher::salary = 1000.0;
2. double teacher::salary = initSalary();

第一种直接赋值，第二种调用initSalary()函数初始化。也许有人会觉得很奇怪，initSalary()是一个私有的成员函数，私有成员函数在类外是不可访问的，在这里为什么可以被调用呢？

这里又涉及到类的作用域的问题。double teacher::salary = initSalary();这条语句中从类名开始，语句剩下的部分就属于类的作用域之内了，因此可以直接调用initSalary函数。

3. static 修饰成员函数

与静态数据成员一样，静态成员函数也不与类的任何实例绑定在一起。它们不包含this指针，因此也不能声明成const的。静态成员函数主要用途是用来操作类的静态数据成员。静态成员函数既可以通过类名来调用，也可以通过对象的实例来调用。为了对比静态的和非静态的成员函数，我们在上面的例子当中新增一个非静态的成员函数。

inline int teacher::getAge()
{
    return age;
}

然后，修改一下测试程序:

...
int main()
{
    teacher b("vincent", 26);
    cout << b.getSalary() << endl;
    cout << b.getAge() << endl;
    return 0;
}

我们用 gdb 调试一下看看

···
(gdb)
12          cout << b.getSalary() << endl;
(gdb) s
teacher::getSalary () at teacher.h:19
19          return salary;
...
13          cout << b.getAge() << endl;
(gdb) s
teacher::getAge (this=0x61fecc) at teacher.h:27
27          return age;
(gdb)
28      }
...
(gdb) p &b
$5 = (teacher *) 0x61fecc
(gdb)

从调试信息可以看出来，执行getSalary()函数时，没有传入任何参数。执行getAge()函数时，传入了一个地址赋值给this指针，这个地址就是对象b的地址。

4.通过 static 成员函数实现单例模式

下面来看一个应用 static 实现单例模式的例子。单例模式就是类的实例只能在内存中存在一份。这个这段代码就是单例模式最简单的写法：

...
class teacher {
public: 
    ...
    inline static teacher& getinstance();
private:
    ...
    teacher() {}
    teacher(std::string n, double a):name(n), age(a){}
private:
    ...
    static teacher     T;
};
...
inline teacher& teacher::getinstance()
{
    return T;
}

在代码中，我们把 teacher 类的构造函数设置为 private，这样在类的作用域外部就不能访问构造函数，因此不能创造出实例出来。

teacher a;  // 编译器报错，因为构造函数是私有的

然后在private区声明了一个teacher类型的静态变量T，这个T是整个类共有的。最后声明并定义了一个静态方法getinstance()返回T的引用。这样teacher类在内存中只有一份拷贝，存储在静态存储区。看测试程序：

double teacher::salary = 10000.0;
teacher teacher::T("vincent", 26);
int main()
{

    teacher& t1 = teacher::getinstance();
    teacher& t2 = teacher::getinstance();
    cout << t1.getSalary() << " " << t2.getSalary() << endl;
    t1.setSalary(20000);
    cout << t1.getSalary() << " " << t2.getSalary() << endl;
    return 0;
}

程序的执行结果是：

$ ./a.exe
10000 10000
20000 20000

这就是用static成员函数实现单例模式的方法。不过这个单例模式存在着一个明显的缺点，那就是有可能造成内存浪费。在teacher类中，我们声明了一个静态的变量T。这个变量必须在代码块外面定义好，定义好后不管这个变量有没有在程序当中实际使用，它都存在于内存当中，直到程序结束。如果我们在程序中一直没有用到这个变量，那么存储它的这块区域实际上是被浪费掉了。

5.总结

好了，到这里我们又可以稍微总结一下：

static 数据成员用来保存一些与类本身相关，而不是与具体某个对象相关的信息。static 数据成员保存在内存的静态存储区，类的所有实例共享一份，存在于程序的整个生命周期。其定义和初始化要在类的外面。
static 成员函数没有 this 指针，仅能访问类的 static 变量，不能声明为 const。可以通过类名和对象名两种方式来调用。

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