[C++] static静态成员变量/函数的用法

一. 回顾成员变量

普通成员变量的特点：

1. 通过类的对象名能够访问类中的public成员变量。
2. 每个类对象的成员变量都是专属的，即使是同个类的不同对象之间也不能共享该类的成员变量。

这么来看，如果多个对象想操作同一个数据，从目前来看只能使用全局变量（每个对象都可以操作全局作用域的全局变量），但是这样存在安全隐患，在现代软件开发中不推荐这种方式。那么，有没有其它更好的方式呢？

二. 静态成员概念的引入

1. 统计在程序运行期间某个类的对象数目。
2. 保证程序的安全性 ==> 不能使用全局变量（ 由于全局变量在程序的任何地方都可能被修改，因此不推荐使用全局变量）。
3. 随时可以获取当前对象的数目。

针对上面新的需求，我们就引入了类的静态成员变量的概念。

三. 静态成员变量

1. 定义：静态成员变量以关键字static开头，是一种特殊的类成员变量。

2. 语法

C++中，静态成员变量与静态成员函数的使用方法如下：

#include <iostream>
#include <string> 
using namespace std;
//静态成员变量在类内定义，类外初始化
class test
{
private:
    static int m_value;   //定义类的静态成员变量
public:
    static int getValue(){  //定义类的静态成员函数
      return m_value;
    }
};
int test::m_value = 12;   //类的静态成员变量需要在类外分配内存空间，可以不给初值，那么系统默认给0

定义完静态成员变量之后，通过类对象来调用静态成员变量/函数：

int main()
{
    test t;
    cout << t.getValue() << endl;
    system("pause");
}

注意：静态成员变量在类内定义的时候由于还没有被分配内存空间，所以不能被直接赋初值。需要在类外（头文件的结尾或者源文件的开头）赋初值分配内存空间，这样就能够保证在调用任何函数之前静态成员已经被成功初始化。

3. 静态成员变量的特点

1）静态成员变量隶属于整个类所有，所有类的对象共享其静态成员变量

这就意味着，即使创建多个对象，也只为静态分配一份内存，所有对象使用的都是这份内存中的数据，我们一旦在某个对象中修改了这个成员变量的值，在其他对象中能够直接看到修改的结果。

2）静态成员变量的生命周期不依赖于任何对象：原因是其在全局(静态)存储区内分配空间，所以它生命周期是从程序开始到程序结束。

• 全局变量，静态局部变量，静态全局变量保存在全局(静态)存储区，生命周期是从程序开始到程序结束。
• 局部变量保存在栈，其数据则随着函数等的作用域结束导致出栈而销毁。

可见，静态局部变量的效果已经跟全局变量有一拼了，而且因为位于函数体内部，所以更有利于程序的模块化了。

Tips：全局变量作用区间是在各个类中实现数据共用的方法——extern

//类A.cpp：
int g_abc = 15;
//类B.cpp：
extern int g_abc;
cout << g_abc << endl;  //输出15

3）可以通过类名直接访问公有静态成员变量。　　　　

语法：类名 :: 静态成员变量名（Class_name :: static_member）

4）可以通过对象名访问公有静态成员变量。

5）静态成员变量在类内定义，类外初始化：

因为静态成员属于整个类，而不属于某个对象，如果在类内初始化，会导致每个对象都包含该静态成员，这是矛盾的。

4. 静态变量的使用

针对静态成员变量的以上的几个特点，我们把上边的代码修改如下，用于统计当前对象的个数：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class test
{
private:
    static int m_value1;    //定义私有类的静态成员变量
public:
    static int m_value2;    //定义公用类的静态成员变量（公有的问题在结论）
public:
    test(){
      m_value1++;
      m_value2++;
    }
    int getValue(){         //定义类的成员函数（和静态成员函数的用法区别）
      return m_value1;
    }
};
int test::m_value1 = 0;   //类的静态成员变量需要在类外分配内存空间
int test::m_value2 = 0;   //类的静态成员变量需要在类外分配内存空间

int main()
{
    test t1, t2, t3;
    cout << "test::m_value2 = " << test::m_value2 << endl;  //通过类名直接调用公有静态成员变量，获取对象个数
    cout << "t3.m_value2 = " << t3.m_value2 << endl;    //通过对象名名直接调用公有静态成员变量，获取对象个数
    cout << "t3.getValue() = " << t3.getValue() << endl;  //通过对象名调用普通函数获取对象个数
}

编译输出:

test::m_value2 = 3
t3.m_value2 = 3
t3.getValue() = 3

从输出，貌似得到我们想要的效果，但是C++中讲究的是封装性，以上代码，有2个不妥之处：

1. 类名或对象名能直接访问成员变量（因为是public类型），也就是说成员变量能直接被外界修改。
   修改： 应将静态变量定义为private类型。
2. 这里我们使用了一个成员函数来获取当前的对象个数，看似没问题，但是必须要定义对象test t3，通过对象去调用成员函数，即t3.getValue()。但有时候我们不想定义对象，也能直接使用类中的成员函数，这就是我们要说的类的静态成员函数。
   等价写法：将成员函数getValue()定义为静态类型的，就可以通过test::getValue()直接使用。

5. 小结

静态成员变量的优势如下：

1）安全地实现共享数据

全局变量的值也可以为一个程序中的多个函数所共享，但是全局变量的安全性得不到保证，由于在各处都可以自由地修改全局变量的值，很有可能偶然失误，全局变量的值就被修改，导致程序的失败。因此在实际开发中很少使用全局变量。

因为同类不同对象之间的所占的内存空间是不一样的，这也导致各个对象之间成员变量的数据没法互用。而静态成员变量恰恰解决了这个问题，它可以在同类的多个对象之间实现数据共享，也可以实现信息隐藏，静态数据成员可以是private成员，而全局变量不能（当程序想要使用全局变量的时候应该先考虑使用 static）。

2）节省内存，效率高

因为静态变量所有对象所公有的，因此，对多个对象来说，静态数据成员只存储一处，供所有对象共用。只要对静态数据成员的值更新一次，保证所有对象存取更新后的相同的值，这样可以提高时间效率。

四. 静态成员函数

1. 定义：和静态成员变量一样，静态成员函数以关键字static开头，在C++中，定义静态成员函数的主要目的是处理类的静态成员变量。

2. 静态成员函数的特点

1. 普通成员函数与静态成员函数之间有一个主要的区别。那就是静态成员函数没有this指针（静态成员函数属于整个类所有）
   
2. 静态成员函数只能直接访问静态成员变量和静态成员函数，不可以调用或操纵非静态成员。
   
3. 可以通过类名直接访问类的公有静态成员函数。
   
4. 可以通过对象名访问类的公有静态成员函数。
   
5. 为了调用方便，静态成员函数的调用不需要通过类的实例化，通过作用域::就可以被调用。
   

特点2的错误示范：

class test
{
  int number;
  static void picker()
  {
    number = 6;  //不被允许,静态成员函数只能访问静态成员变量/静态成员函数
  }
}

3. 静态成员函数的用法

针对上述特点，对上面的代码进行成员函数修改成静态成员函数并调用：

#include <iostream>
#include <string>
 using namespace std;
class test
{
private:
    static int m_value;   //定义私有类的静态成员变量
public:
    test(){
      m_value++;
    }
    static int getValue(){    //定义类的静态成员函数    
      return m_value;
    }
};
int test::m_value = 0;    //类的静态成员变量需要在类外分配内存空间

int main()
{
    test t1,t2,t3;
    cout << "test::getValue() = " << test::getValue() << endl;  //通过类名直接调用公有静态成员函数，获取对象个数
    cout << "t3.getValue() = " << t3.getValue() << endl;    //通过对象名调用静态成员函数获取对象个数
    system("pause");
}

编译输出:

test::m_value2 = 3
t3.getValue() = 3

这样我们就直接能通过类名::静态成员函数的方式去访问静态成员函数，获取对象个数，而不需要任何类的实例化对象来实现调用。

静态成员函数的其他用法:

1. 可以实现某些特殊的设计模式：如单例模式—Singleton；
2. 可以封装某些算法，比如数学函数，如ln，sin，tan等等，这些函数本就没必要属于任何一个对象，所以从类上调用感觉更好，比如定义一个数学函数类Math，调用Math::sin(3.14);如果非要用非静态函数，那就必须：Math math; math.sin(3.14); 行是行，只是不爽。

4. 静态成员函数与普通成员函数的对比

最重要的是要记住：静态函数不需要实例化就可以被调用，不会也不可以调用或操纵非静态成员。