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C++ 嵌套类（详解一站式讲解）

news 来源：原创 2025/4/29 5:45:34

嵌套类

嵌套类的定义

嵌套类结构的访问权限

pimpl模式（了解）

嵌套类

嵌套类的定义

首先介绍两个概念：

类作用域（Class Scope）

类作用域是指在类定义内部的范围。在这个作用域内定义的成员（包括变量、函数、类型别名等）可以被该类的所有成员函数访问。类作用域开始于类定义的左花括号，结束于类定义的右花括号。在类作用域内，成员可以相互访问，无论它们在类定义中的声明顺序如何。

类名作用域（Class Name Scope）

类名作用域指的是可以通过类名访问的作用域。这主要用于访问类的静态成员、嵌套类型。类名必须用于访问静态成员或嵌套类型，除非在类的成员函数内部，因为它们不依赖于类的任何特定对象。以静态成员为例：

class MyClass
{
public:void func(){_b = 100;//类的成员函数内访问_b}static int _a;int _b;
};
//静态成员要定义在类外，因为静态成员是一个类所共有的，如果声明在类中，每创建一个类对象就会生成一个静态数据成员
int MyClass::_a = 0;void test0(){//这里静态数据成员为公有所以可以在类外通过类名直接访问MyClass::_a = 200;//类外部访问_a
}

在函数和其他类定义的外部定义的类称为全局类，绝大多数的 C++ 类都是全局类。我们在前面定义的所有类都在全局作用域中，全局类具有全局作用域。

与之对应的，一个类A还可以定义在另一类B的定义中，这就是嵌套类结构。A类被称为B类的内部类，B类被称为A类的外部类。

以Point类和Line类为例

class Line
{
public:class Point{public:Point(int x,int y): _ix(x), _iy(y){}private:int _ix;int _iy;};
public:Line(int x1, int y1, int x2, int y2): _pt1(x1,y1), _pt2(x2,y2){}
private: Point _pt1;Point _pt2;
};

Point类是定义在Line类中的内部类，无法直接创建Point对象，需要在Line类名作用域中才能创建，因为point类在line类中，只能先找到line类在访问point类

Point pt(1,2);//error
Line::Point pt2(3,4);//ok

Point类是Line类的内部类，并不代表Point类的数据成员会占据Line类对象的内存空间，在存储关系上并不是嵌套的结构。

只有当Line类有Point类类型的对象成员时，Line类对象的内存布局中才会包含Point类对象（成员子对象）。

（1）如果Line类中没有Point类的对象成员，sizeof(Line) = 8;

（2）如果Line类中有两个Point类的对象成员，sizeof(Line) = 24;

思考，如果想要使用输出流运算符输出Line对象，应该怎么实现？（重要）

最直观的实现方式是定义一个运算符重载函数，但在函数体中需要让输出流运算符处理Point类型对象，所以还需要为Point类准备一个输出流运算符重载函数。

—— 如果Point定义在Line的私有区域

那么还需要将operator<<函数声明为Line的友元函数

下面为测试代码，可自行测试

#include <iostream>
using namespace std;
class Line
{
public:class Point {public:Point(int x, int y): _ix(x), _iy(y){}friend ostream& operator<<(ostream& os, const Line::Point& rhs);private:int _ix;int _iy;};
public:Line(int x1, int y1, int x2, int y2): _pt1(x1, y1), _pt2(x2, y2){}~Line() {//cout << "~Line（）" << endl;}friend ostream& operator<<(ostream& os, const Line& rhs);friend ostream& operator<<(ostream& os, const Point& rhs);private:Point _pt1;Point _pt2;
};//这里会访问line的私有成员point所以在line类中声明为友元,因为又要访问point对象的数据成员，
//所以又要将这个函数声明为内部类的友元
ostream& operator<<(ostream& os, const Line::Point& rhs)
{os << "(" << rhs._ix << "," << rhs._iy << ")";return os;
}//因为是输出运算符重载，不会对操作数进行修改，倾向于声明为有友元类
ostream& operator<<(ostream & os, const Line & rhs)
{os << rhs._pt1 << "------->" << rhs._pt2;return os;
}
void test()
{Line ll(1, 2, 3, 4);cout << ll << endl;
}
int main()
{test();return 0;
}

嵌套类结构的访问权限

外部类对内部类的成员进行访问

内部类对外部类的成员进行访问

内部类相当于是定义在外部类中的外部类的友元类

类A定义在类B中，那么类A访问类B的成员时，就相当于默认的是类B的友元类。

下面为测试代码，可以自行测试

#include <iostream>
using namespace std;
class Line
{
public:class Point {public:Point(int x, int y): _ix(x), _iy(y){}friend ostream& operator<<(ostream& os, const Line::Point& rhs);void print(){cout << "print" << endl;}friend class Line;void getline(const Line& rhs){//在内部类中不需要友元声明，可以直接通过line对象直接访问成员rhs._pt1;rhs._pt2;//通过类名作用域直接访问line的私有静态成员Line::_pt3;//直接用成员名访问line的私有静态数据成员_pt3;}private:int _ix;int _iy;static int _iz;};
public:Line(int x1, int y1, int x2, int y2): _pt1(x1, y1), _pt2(x2, y2){}~Line() {//cout << "~Line（）" << endl;}friend ostream& operator<<(ostream& os, const Line& rhs);friend ostream& operator<<(ostream& os, const Point& rhs);void getpoint(){//在外部类中通过内部类访问内部类的公有成员_pt1.print();//ok//外部类属于内部类的类定义之外，这里是在内部类的私有数据成员//在外部类中通过内部类对象访问内部类的私有成员//_pt1._ix;//需要声明友元Point::_iz;//因为为私有，所以需要友元声明//_ix;不可能实现//_iy;同上}
private:Point _pt1;Point _pt2;static double _pt3;
};
//要在外部类的外面对内部类的静态成员进行定义
int Line::Point::_iz = 10;
double Line::_pt3 = 100;
//这里会访问line的私有成员point所以在line类中声明为友元,因为又要访问point对象的数据成员，
//所以又要将这个函数声明为内部类的友元
ostream& operator<<(ostream& os, const Line::Point& rhs)
{os << "(" << rhs._ix << "," << rhs._iy << ")";return os;
}//因为是输出运算符重载，不会对操作数进行修改，倾向于声明为有友元类
ostream& operator<<(ostream & os, const Line & rhs)
{os << rhs._pt1 << "------->" << rhs._pt2;return os;
}
void test()
{Line ll(1, 2, 3, 4);cout << ll << endl;
}
int main()
{test();return 0;
}

pimpl模式（了解）

实际项目的需求：希望Line的实现全部隐藏，在源文件中实现，再将其打包成库文件，交给第三方使用。

（1）头文件只给出接口：

//Line.hpp
class Line{
public:Line(int x1, int y1, int x2, int y2);~Line();void printLine() const;//打印Line对象的信息
private:class LineImpl;//类的前向声明LineImpl * _pimpl;
};

（2）在实现文件中进行具体实现，使用嵌套类的结构（LineImpl是Line的内部类，Point是LineImpl的内部类），Line类对外公布的接口都是使用LineImpl进行具体实现的

在测试文件中创建Line对象（最外层），使用Line对外提供的接口，但是不知道具体的实现

//LineImpl.cc
class Line::LineImpl
{class Point{public:Point(int x,int y): _ix(x), _iy(y){}//...private:int _ix;int _iy;};//...
};//Line.cc
void test0(){Line line(10,20,30,40);line.printLine();
}

（3）打包库文件，将库文件和头文件交给第三方

sudo apt install build-essential
g++ -c LineImpl.cc
ar rcs libLine.a LineImpl.o生成libLine.a库文件
编译：g++ Line.cc(测试文件) -L(加上库文件地址) -lLine(就是库文件名中的lib缩写为l，不带后缀)
此时的编译指令为 g++ Line.cc -L. -lLine

内存结构

pimpl模式是一种减少代码依赖和编译时间的C++编程技巧，其基本思想是将一个外部可见类的实现细节（一般是通过私有的非虚成员）放在一个单独的实现类中，在可见类中通过一个私有指针来间接访问该类型。

好处：

实现信息隐藏；
只要头文件中的接口不变，实现文件可以随意修改，修改完毕只需要将新生成的库文件交给第三方即可；
可以实现库的平滑升级。

下面为测试代码，可自行测试

//LineImpl.cc#include <iostream>
#include "Line.hpp"
using namespace std;
// 这是一个实现文件，不用包含测试，只需要实现头文件中的函数等内容
//先对成员类型进行实现
class Line::LineImpl
{
public:class Point{public:Point(int x,int y): _ix(x), _iy(y){}~Point(){cout << "~Point()" << endl;}void print(){cout << "("<<_ix << "," << _iy << ")";}private:int _ix;int _iy;};
public:LineImpl(int x1, int y1, int x2, int y2): _pt1(x1,y1), _pt2(x2,y2){cout << "LineImpl(int *4)" << endl;}~LineImpl(){cout << "~LineImpl()" << endl;}void printline(){_pt1.print();cout << "-----> ";_pt2.print();cout << endl;}
private: Point _pt1;Point _pt2;
};Line::Line(int x1, int y1, int x2, int y2):_pimpl(new LineImpl(x1,y1, x2,y2))
{cout << "Line(int * 4)" << endl;
}
Line :: ~Line()
{cout << "~Line()" << endl;if(_pimpl){delete _pimpl;_pimpl = nullptr;}
}
void Line::printLine() const{_pimpl->printline();
}// test.cc#include "Line.hpp"
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;void test()
{Line ll(1,2,3,4);ll.printLine();
}int main()
{test();return 0;
}//Line.hpp#ifndef _Line_HPP_
#define _Line_HPP_class Line {
public:Line(int x1, int y1, int x2, int y2);~Line();//提供给客户使用的功能void printLine() const;//打印Line对象的信息
private:class LineImpl;//类的前向声明LineImpl* _pimpl;
};#endif