c++ Static 成員：讓類(lèi)變量不再“孤單”
前言
如果說(shuō) static 變量讓函數(shù)“記住”上一次的狀態(tài)，那么 static 成員變量就像是整個(gè)類(lèi)的“共享記憶”。這次，我們將從類(lèi)的角度來(lái)聊聊 static 成員變量和函數(shù)，幫你徹底搞懂它們是什么，怎么用。
什么是 static 成員變量？
在 C++ 中，類(lèi)的成員變量通常是屬于某個(gè)具體對(duì)象的，每個(gè)對(duì)象都會(huì)有一份獨(dú)立的成員變量。而 static 成員變量 可不一樣，它是所有對(duì)象共享的一個(gè)變量。
舉個(gè)例子：
假設(shè)我們有一個(gè)類(lèi) Car，它有一個(gè)成員變量 carCount 用來(lái)統(tǒng)計(jì)車(chē)的數(shù)量。
如果每個(gè) Car 對(duì)象都單獨(dú)存儲(chǔ)這個(gè)數(shù)量，那就沒(méi)什么意義了。因?yàn)?nbsp;carCount 應(yīng)該是所有 Car 對(duì)象共享的，而不是每個(gè)對(duì)象都自有一份。這個(gè)時(shí)候，就可以用 static 來(lái)聲明 carCount。
#include <iostream>
using namespace std;
class Car {
public:
static int carCount; // 聲明靜態(tài)成員變量
Car() {
carCount++;
}
};
// 靜態(tài)成員變量需要在類(lèi)外定義
int Car::carCount = 0;
int main() {
Car car1;
Car car2;
cout << "Number of cars: " << Car::carCount << endl; // 輸出：2
return 0;
}在這個(gè)例子中，carCount 變量是靜態(tài)的，所有 Car 對(duì)象共享同一個(gè) carCount，所以無(wú)論創(chuàng)建多少個(gè) Car 對(duì)象，它都會(huì)累加。
如何訪問(wèn) static 成員？
靜態(tài)成員的訪問(wèn)和普通成員稍微有些不同。普通成員變量需要通過(guò)對(duì)象來(lái)訪問(wèn)，而靜態(tài)成員變量可以通過(guò) 類(lèi)名:: 來(lái)直接訪問(wèn)，甚至不需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象。
訪問(wèn)靜態(tài)成員：
class Car {
public:
static int carCount; // 靜態(tài)成員變量
Car() {
carCount++;
}
};
// 在類(lèi)外定義靜態(tài)成員
int Car::carCount = 0;
int main() {
// 直接通過(guò)類(lèi)名訪問(wèn)靜態(tài)成員
cout << "Initial car count: " << Car::carCount << endl; // 輸出：0
Car car1;
cout << "After one car: " << Car::carCount << endl; // 輸出：1
Car car2;
cout << "After two cars: " << Car::carCount << endl; // 輸出：2
return 0;
}你可以看到，靜態(tài)成員 carCount 通過(guò) Car::carCount 來(lái)訪問(wèn)，不需要?jiǎng)?chuàng)建 Car 對(duì)象。這樣就避免了不必要的內(nèi)存浪費(fèi)。
靜態(tài)成員函數(shù)
什么是靜態(tài)成員函數(shù)？
靜態(tài)成員函數(shù) 是屬于類(lèi)的，而不是某個(gè)對(duì)象的。也就是說(shuō)，你可以通過(guò)類(lèi)名來(lái)調(diào)用它，而不需要先創(chuàng)建對(duì)象。這一點(diǎn)與普通的成員函數(shù)不同，普通成員函數(shù)是通過(guò)對(duì)象來(lái)調(diào)用的。
它有什么特點(diǎn)？
1、類(lèi)級(jí)別的函數(shù)：靜態(tài)成員函數(shù)屬于類(lèi)級(jí)別，不依賴(lài)于任何對(duì)象。你不需要?jiǎng)?chuàng)建類(lèi)的實(shí)例，就能通過(guò)類(lèi)名直接調(diào)用。
2、只能訪問(wèn)靜態(tài)成員：靜態(tài)成員函數(shù)只能訪問(wèn)類(lèi)中的靜態(tài)成員變量和其他靜態(tài)成員函數(shù)，因?yàn)樗鼪](méi)有綁定到任何具體的對(duì)象，也就無(wú)法訪問(wèn)屬于對(duì)象的非靜態(tài)成員。
3、沒(méi)有 this 指針：普通成員函數(shù)有一個(gè)隱含的 this 指針，指向調(diào)用該函數(shù)的對(duì)象，而靜態(tài)成員函數(shù)沒(méi)有 this 指針。
與普通成員函數(shù)的區(qū)別是什么？
- 普通成員函數(shù)：普通成員函數(shù)是與對(duì)象關(guān)聯(lián)的，它可以訪問(wèn)類(lèi)的靜態(tài)和非靜態(tài)成員。訪問(wèn)非靜態(tài)成員時(shí)，它依賴(lài)于對(duì)象的 this 指針。
- 靜態(tài)成員函數(shù)：靜態(tài)成員函數(shù)沒(méi)有 this 指針，它不能直接訪問(wèn)非靜態(tài)成員，只能訪問(wèn)靜態(tài)成員。
舉個(gè)例子：
#include <iostream>
using namespace std;
class Car {
public:
static int carCount; // 靜態(tài)成員變量
Car() {
carCount++;
}
// 靜態(tài)成員函數(shù)
static void printCarCount() {
cout << "Number of cars: " << carCount << endl;
}
};
// 靜態(tài)成員變量需要在類(lèi)外定義
int Car::carCount = 0;
int main() {
Car car1;
Car car2;
// 通過(guò)類(lèi)名調(diào)用靜態(tài)成員函數(shù)
Car::printCarCount(); // 輸出：2
return 0;
}在上面的代碼中，printCarCount() 是一個(gè)靜態(tài)成員函數(shù)，它只能訪問(wèn)靜態(tài)成員變量 carCount，不能直接訪問(wèn)非靜態(tài)成員變量。如果嘗試訪問(wèn)非靜態(tài)成員，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)。
靜態(tài)成員函數(shù)不能訪問(wèn)非靜態(tài)成員：
class Car {
public:
int speed; // 非靜態(tài)成員變量
static int carCount; // 靜態(tài)成員變量
static void printSpeed() {
// 編譯錯(cuò)誤：靜態(tài)成員函數(shù)無(wú)法訪問(wèn)非靜態(tài)成員變量
cout << "Speed: " << speed << endl;
}
};那為什么靜態(tài)成員函數(shù)不能訪問(wèn)非靜態(tài)成員？
這個(gè)問(wèn)題其實(shí)很好理解，關(guān)鍵在于靜態(tài)成員函數(shù)的“身份”問(wèn)題。
1、靜態(tài)成員函數(shù)屬于類(lèi)，而不是對(duì)象：靜態(tài)成員函數(shù)是在類(lèi)層面上定義的，它沒(méi)有綁定到具體的對(duì)象。所以，當(dāng)你調(diào)用靜態(tài)成員函數(shù)時(shí)，它是通過(guò)類(lèi)名來(lái)調(diào)用的，不依賴(lài)于任何特定的對(duì)象。
2、非靜態(tài)成員屬于對(duì)象：而非靜態(tài)成員變量和普通成員函數(shù)是屬于具體對(duì)象的。當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象時(shí)，非靜態(tài)成員才會(huì)存在，并且只有通過(guò)這個(gè)對(duì)象才能訪問(wèn)這些成員。
靜態(tài)成員函數(shù)無(wú)法訪問(wèn)非靜態(tài)成員的原因就是，它不屬于任何特定的對(duì)象，所以無(wú)法知道該訪問(wèn)哪個(gè)對(duì)象的非靜態(tài)成員。換句話說(shuō)，靜態(tài)成員函數(shù)沒(méi)有“this”指針，它無(wú)法指向具體的對(duì)象，也就不能訪問(wèn)屬于某個(gè)對(duì)象的成員。
舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：
還是上面 Car 類(lèi)的例子，speed 是一個(gè)非靜態(tài)成員變量，而 carCount 是一個(gè)靜態(tài)成員變量。
- 當(dāng)你調(diào)用靜態(tài)成員函數(shù) printSpeed() 時(shí)，它是通過(guò)類(lèi)名來(lái)調(diào)用的。這個(gè)函數(shù)沒(méi)有“this”指針，無(wú)法知道是哪個(gè) Car 對(duì)象的 speed 變量。
- 但是，靜態(tài)成員函數(shù)可以訪問(wèn)類(lèi)中的靜態(tài)成員 carCount，因?yàn)殪o態(tài)成員是屬于類(lèi)的，不依賴(lài)于具體的對(duì)象。
所以，靜態(tài)成員函數(shù)只能訪問(wèn)靜態(tài)成員變量和其他靜態(tài)函數(shù)，無(wú)法訪問(wèn)非靜態(tài)成員。
小結(jié)：
靜態(tài)成員函數(shù)和對(duì)象沒(méi)關(guān)系，它不屬于某個(gè)具體對(duì)象，所以它不能直接操作對(duì)象的非靜態(tài)成員變量。
static 成員的應(yīng)用場(chǎng)景：
了解了靜態(tài)成員變量和靜態(tài)成員函數(shù)的基本概念，接下來(lái)我們來(lái)聊聊它們的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。雖然在很多情況下，我們的類(lèi)對(duì)象都有自己獨(dú)立的成員變量和成員函數(shù)，但在某些特定場(chǎng)景下，靜態(tài)成員就能派上大用場(chǎng)。
1. 全局共享數(shù)據(jù)
假設(shè)我們有一個(gè)程序需要統(tǒng)計(jì)不同用戶的訪問(wèn)次數(shù)，而這個(gè)次數(shù)應(yīng)該對(duì)所有用戶共享，而不是每個(gè)用戶都有一份。這時(shí)，靜態(tài)成員變量就能幫助我們做到這一點(diǎn)。
例如，我們可以在用戶類(lèi)中創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)的訪問(wèn)計(jì)數(shù)器，所有用戶對(duì)象共享這個(gè)計(jì)數(shù)器，這樣每當(dāng)有用戶訪問(wèn)時(shí)，計(jì)數(shù)器就會(huì)增加，而不需要每個(gè)對(duì)象都單獨(dú)保存一份。
class User {
public:
static int visitCount; // 所有用戶共享
User() {
visitCount++;
}
};
// 在類(lèi)外定義靜態(tài)變量
int User::visitCount = 0;
int main() {
User user1;
User user2;
cout << "Total visits: " << User::visitCount << endl; // 輸出：2
return 0;
}在這個(gè)例子中，不管你創(chuàng)建多少個(gè) User 對(duì)象，它們都會(huì)共享同一個(gè) visitCount，這樣就避免了每個(gè)用戶對(duì)象都存儲(chǔ)計(jì)數(shù)的重復(fù)工作。
2. 工廠模式中的靜態(tài)成員
有些時(shí)候，類(lèi)中的靜態(tài)成員函數(shù)可以幫助你創(chuàng)建對(duì)象。工廠模式就是一個(gè)常見(jiàn)的例子，它允許你通過(guò)靜態(tài)成員函數(shù)來(lái)創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例，而不需要在外部直接調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。
class Product {
public:
static Product* createProduct() {
return new Product();
}
};
int main() {
Product* product = Product::createProduct();
// 使用 product
delete product;
return 0;
}在這里，createProduct 是一個(gè)靜態(tài)成員函數(shù)，用來(lái)創(chuàng)建 Product 對(duì)象。這種做法能夠封裝對(duì)象創(chuàng)建的細(xì)節(jié)，提供更靈活的控制。
3. 配置類(lèi)中的靜態(tài)成員
在很多程序中，我們可能會(huì)有一個(gè)配置類(lèi)，用來(lái)保存一些全局的配置數(shù)據(jù)（如程序的設(shè)置、資源路徑、日志級(jí)別等）。這些配置信息往往是固定的，不會(huì)因?yàn)閷?duì)象的創(chuàng)建而變化。此時(shí)，靜態(tài)成員變量非常適合用來(lái)保存這些共享的數(shù)據(jù)。
例如，一個(gè)全局的日志配置類(lèi)可以用靜態(tài)成員來(lái)記錄當(dāng)前的日志級(jí)別：
class Logger {
public:
static int logLevel;
static void log(const string& message) {
if (logLevel >= 2) {
cout << "Log: " << message << endl;
}
}
};
// 在類(lèi)外定義靜態(tài)變量
int Logger::logLevel = 2;
int main() {
Logger::log("Program started");
Logger::logLevel = 1;
Logger::log("Another log");
return 0;
}在這個(gè)例子中，logLevel 是一個(gè)靜態(tài)成員，所有日志都根據(jù)這個(gè)靜態(tài)設(shè)置來(lái)決定是否輸出。
總結(jié)：
靜態(tài)成員變量和靜態(tài)成員函數(shù)讓我們?cè)?C++ 中能更方便地管理共享數(shù)據(jù)和功能。它的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是：它們屬于整個(gè)類(lèi)，而不是某個(gè)具體的對(duì)象。所以，多個(gè)對(duì)象之間能共享同一份數(shù)據(jù)，避免了每個(gè)對(duì)象都要獨(dú)占一份的情況。這不僅節(jié)省內(nèi)存，也讓代碼更加簡(jiǎn)潔高效。
今天我們了解了靜態(tài)成員變量和靜態(tài)成員函數(shù)的基本用法，知道了如何共享數(shù)據(jù)、訪問(wèn)靜態(tài)成員，還明白了為什么靜態(tài)成員函數(shù)不能訪問(wèn)非靜態(tài)的成員。
