C++类静态成员与类静态成员函数详解

1. 什么是C++类的静态成员和静态成员函数？

1.1 静态成员

顾名思义，静态成员属于类而不是某个对象，与类的实例化无关。也就是说，无论有多少个类的对象被创建，静态成员的内存只分配一次，所有的类对象都共享这一内存空间。因此，静态成员也称为"类成员"。

C++类的静态成员可以是静态变量或静态函数。其中静态变量也称为类变量，是所有类对象的公共变量，同时静态变量可以被类的所有方法所访问，而不必通过对象来访问。

实例化后的普通成员变量是属于对象的，每个对象都有自己的一份。而静态成员变量不属于任何对象，所有的对象共享同一份静态成员变量的内存空间。

1.2 静态成员函数

类静态成员函数是不与任何类对象相关联的成员函数，其特点如下：

• 它们没有this指针，也就是说，静态成员函数中不能访问非静态成员变量或成员函数，只能访问静态成员变量和成员函数。
• 静态成员函数只能调用静态成员函数或访问静态成员变量，不能调用非静态成员函数或访问非静态成员变量。

静态成员函数主要用于实现与类本身相关的功能，比如类的初始化或清理等。

2. C++类静态成员的定义和访问

2.1 静态成员变量的定义和访问

C++类的静态成员变量定义时需要加上static关键字，并且必须在类中声明，但是在类外面定义，也就是在类定义之外的文件中定义。

class Person{
public:
    static int num; // 声明为静态变量
    static void setNum(int n);
};
int Person::num = 0; // 静态成员变量定义

上述代码定义了一个名为"num"的静态成员变量，初始值为0。在类的外部，需要通过类名加作用域限定符来访问静态成员变量。

#include <iostream>
#include "Person.h"
using namespace std;

int main()
{
    Person p1, p2;
    p1.setNum(1);
    cout << "p1.num = " << p1.num << endl; // 输出: p1.num = 1
    cout << "p2.num = " << p2.num << endl; // 输出: p2.num = 1
    p2.setNum(2);
    cout << "p1.num = " << p1.num << endl; // 输出: p1.num = 2
    cout << "p2.num = " << p2.num << endl; // 输出: p2.num = 2
    return 0;
}

上述代码中，我们创建了两个Person对象p1和p2，在p1中将num的值设置为1，然后通过类名访问p2的num时，发现其值也为1。这是因为静态成员变量是属于类的，所以p1和p2共享同一份num的内存空间。

2.2 静态成员函数的定义和访问

C++类中的静态成员函数定义时也需要加上static关键字。

class Person{
public:
    static void setNum(int n); // 声明为静态函数
};
void Person::setNum(int n) // 静态成员函数定义
{
    num = n; // 静态成员函数中可以直接访问静态成员变量
}

静态成员函数的访问同样需要通过类名加作用域限定符来实现。

#include <iostream>
#include "Person.h"
using namespace std;

int main()
{
    Person::setNum(10);
    cout << "num = " << Person::num << endl; // 输出: num = 10
    return 0;
}

3. 示例

以下是一个示例，演示了如何使用静态成员变量和静态成员函数实现"水果类"：

#include <iostream>
using namespace std;

class Fruit{
public:
    static int count; // 静态成员变量
    Fruit(const char* name){ // 构造函数
        this->name = name;
        count++; // 每创建一个Fruit对象，count自增1
    }
    const char* getName(){ // 普通成员函数
        return name;
    }
    static void displayCount(){ // 静态成员函数
        cout << "Total " << count << " fruits." <<endl; // 访问静态成员变量
    }
private:
    const char* name;
};
int Fruit::count = 0; // 静态成员变量的定义与初始化

int main()
{
    Fruit apple("apple");
    Fruit banana("banana");
    Fruit orange("orange");
    Fruit::displayCount(); // 静态成员函数的调用
    cout << apple.getName() << endl;
    cout << banana.getName() << endl;
    cout << orange.getName() << endl;
    return 0;
}

上述代码定义了一个名为"Fruit"的类，其中count成员变量是静态的，而displayCount函数也是静态的。在main函数中，我们创建了三个Fruit对象，每次创建一个对象，count就自增1。最后通过Fruit::displayCount()来调用静态成员函数displayCount，输出count的值为3。