静态成员的详细讲解

静态成员（Static Members）是一种特殊的类成员，它们与类本身而不是与任何具体的对象实例相关联。静态成员可以是静态变量或静态函数，允许不同的对象共享数据和行为。

静态成员的特性

共享性：

所有类的实例（对象）共享同一个静态成员，静态成员在所有对象之间是唯一的，因此在内存中只存在一份。

访问方式：

静态成员可以通过类名直接访问，无需创建类的实例，但是非静态成员函数不能用类名直接访问。静态成员也可以通过对象访问，但这不是推荐的方式，因为它不清晰。

class Point
{
public:	void init(){  }static void output(){}
};int main()
{Point::init();  	//出错Point::output();
}//错误，不能用类名直接访问非静态成员函数，显示：“Point::init”: 调用非静态成员函数需要一个对象//把main()改一下如下：
int main()
{Point pt;pt.init();  //正确，可以用类对象进行访问pt.output();
}

生命周期：

静态成员的生命周期与程序运行周期一致。在程序运行期间，它们在静态存储区分配内存。

定义和声明：

静态成员变量需要在类外定义（初始化），即使在类内部声明了它们。

#include <iostream>
using namespace std;
class Point
{
public:	Point(){  m++;}~Point(){m--;}static void output(){cout<<m;}
private:static int m;
};
int main()
{Point pt;pt.output();
}

出错，这是因为类的静态成员变量在使用前必须先初始化。在main()函数前加上:

int Point::m = 0;
//输出：1

静态成员函数：

静态成员函数只能访问静态成员变量，不能访问非静态成员变量，因为它们无法通过 this 指针访问对象的属性

在类的静态成员函数中使用类的非静态成员:

#include <iostream>
using namespace std;
class Point
{
public:	void init(){  }static void output(){cout<<n;;}
private:int n;
};
int main()
{Point pt;pt.output();
}

错误	C2597	对非静态成员“Point::n”的非法引用

出错，因为静态成员函数属于整个类，在类实例化对象之前就已经分配空间了，而类的非静态成员必须在类实例化对象后才有内存空间，所以这个调用就出错了。

在类的非静态成员函数中使用类的静态成员;

class Point
{
public:	void init(){  output();}static void output(){}
};
int main()
{Point pt;pt.output();
}

正确，类的非静态成员函数可以调用用静态成员函数，但反之不能。因为静态成员没有this指针，而非静态成员有this指针（this指针的作用之一：区分对象的成员与其他局部变量（会出个文章详细讲解this指针））

静态成员的作用

共享信息：

静态成员变量用于存储所有类实例共享的信息（如计数器），如记录创建的对象数量，或者共享配置设置。

实现类级别的行为：

静态成员函数可以用于写不依赖于特定对象的类方法，这在需要进行类级别的操作时非常有用。

保持状态：

可以在多个对象间共享状态，提供更高效的数据管理。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;  class Box {  
public:  // 静态成员变量  static int objectCount;  // 声明静态成员变量  Box() {  // 每当创建一个 Box 对象时，objectCount 增加  objectCount++;  }  // 静态成员函数  static int getObjectCount() {  return objectCount;  // 返回当前对象数量  }  
};  // 在类外定义静态成员变量  
int Box::objectCount = 0;  int main() {  Box box1;  // 创建第一个 Box 对象  Box box2;  // 创建第二个 Box 对象  // 通过类名访问静态成员函数  cout << "Total Box objects created: " << Box::getObjectCount() << endl;  // 输出: 2  return 0;  
}

注意事项

静态成员变量必须初始化：

静态成员变量只能在类外定义和初始化，且只能定义一次。

非静态函数不能直接访问静态成员函数：

非静态成员函数可以访问静态成员数据，但静态成员函数无法访问非静态成员变量或函数，因为静态函数不具有 this 指针。

影响设计：过多使用静态成员可能导致代码难以测试和维护，因为静态成员共享状态可能引入线程安全问题和不可预知的行为。

全局静态变量和静态成员函数

static全局变量与普通的全局变量有什么区别：

普通全局变量

非静态全局变量的作用域是整个源文件，当一个源程序由多个源文件组成时，它在各个源文件中都是有效的；作用域是整个程序。

int globalVar = 10; // 普通全局变量  void functionA() {  std::cout << "Global Var in functionA: " << globalVar << std::endl;  
}  void functionB() {  std::cout << "Global Var in functionB: " << globalVar << std::endl;  
}

静态全局变量 

静态成员变量作用域局限在一个源文件内，只能为该源文件内的函数公用，因此可以避免在其他源文件中引起错误。

static int staticGlobalVar = 20; // 静态全局变量  void functionC() {  std::cout << "Static Global Var in functionC: " << staticGlobalVar << std::endl;  
}

链接性 

普通全局变量：

普通全局变量具有外部链接性，可以在多个源文件之间共享。其他源文件可以通过 extern 声明来访问它。

// file1.cpp  
int globalVar = 10; // 普通全局变量  // file2.cpp  
extern int globalVar; // 引用 file1.cpp 的普通全局变量

静态全局变量：

静态全局变量具有内部链接性，仅在定义它的文件中可见。即使其他文件尝试引用它，也会导致链接错误。

存储持续性

普通全局变量：

存储在程序的静态存储区（通常在数据段），生命周期从程序开始到结束，变量的值在程序的整个运行期间保持。

静态全局变量：

同样存储在静态存储区，生命周期和普通全局变量相同，但其作用域仅限于定义它的文件。

示例

// file1.cpp  
#include <iostream>  int globalVar = 5; // 普通全局变量  
static int staticGlobalVar = 10; // 静态全局变量  void showVariables() {  std::cout << "globalVar: " << globalVar << std::endl; // 可以访问普通全局变量  std::cout << "staticGlobalVar: " << staticGlobalVar << std::endl; // 可以访问静态全局变量  
}// file2.cpp  
#include <iostream>  // extern int globalVar; // 可以访问 file1.cpp 中定义的普通全局变量，但不能访问静态全局变量  void anotherFunction() {  // std::cout << "staticGlobalVar: " << staticGlobalVar << std::endl; // 这会导致链接错误  
}

static函数和普通函数有什么区别：

静态函数：

  • 静态成员函数是类的成员函数，但它不依赖于类的任何实例，可以通过类名直接调用。
  • 静态函数只能访问静态成员变量和其他静态成员函数，无法访问非静态成员变量和函数，因为它没有 this 指针。
class Example {  
public:  static void staticFunction() {  // 只能访问静态成员  }  
};  Example::staticFunction(); // 通过类名调用

普通函数：

  • 普通成员函数依赖于一个对象实例，可以通过对象调用。
  • 普通函数能够访问所有成员变量（静态和非静态）以及其他成员函数，因为它们通过 this 指针定位到具体对象。
class Example {  
private:  int value;  
public:  void normalFunction() {  // 可以访问非静态成员 value  }  
};  Example obj;  
obj.normalFunction(); // 通过对象调用

 存储持续性

  • 静态函数：

    • 静态成员函数的内存分配是在程序运行期间分配的，并在程序结束时释放。
    • 静态函数在所有对象之间共享，且在其类生命周期内存在一份。

  • 普通函数：

    • 普通成员函数的存在与其包含的对象实例紧密相关，必须通过对象实例调用。

对象访问

  • 静态函数：

    • 由于没有 this 指针，静态成员函数无法访问实例的成员变量和普通成员函数。
    • 使用静态函数通常用于执行一些与对象状态无关的操作，或者用于访问和修改静态成员。

  • 普通函数：

    • 普通成员函数与具体对象关联，并通过 this 指针确保可以修改对象的状态。

适用场景

  • 静态函数：

    • 用于实现类级别的操作，比如工厂方法、单例模式等。
    • 适用于执行与特定对象无关的功能，或者需要共享的状态管理。

  • 普通函数：

    • 用于定义对象的行为，通常用来操作和修改对象的非静态数据。
    • 适合用于需要对象特定状态的功能。

示例

#include <iostream>  
using namespace std;  class Example {  
private:  static int staticValue;  int instanceValue;  public:  Example(int v) : instanceValue(v) {  staticValue++;  }  // 静态成员函数  static void displayStaticValue() {  cout << "Static Value: " << staticValue << endl;  }  // 普通成员函数  void displayInstanceValue() {  cout << "Instance Value: " << instanceValue << endl;  }  
};  // 静态成员变量初始化  
int Example::staticValue = 0;  int main() {  Example obj1(10);  Example obj2(20);  Example::displayStaticValue(); // 访问静态函数  obj1.displayInstanceValue();    // 访问普通成员函数  obj2.displayInstanceValue();    // 访问普通成员函数  return 0;  
}

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