面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言關(guān)鍵概念教學(xué)探索與實(shí)踐

李良福

[摘要]C++語(yǔ)言是一門面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言，與C語(yǔ)言相比出現(xiàn)了很多新的概念，正確理解與應(yīng)用這些新的概念是學(xué)好C++語(yǔ)言的關(guān)鍵。本文對(duì)引用與指針的概念以及使用方法的區(qū)別進(jìn)行了詳細(xì)的描述，還對(duì)普通指針、指向常量的指針和常指針三種指針?biāo)赶虻膬?nèi)容和指針本身能否改變進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)基類中具有不同訪問(wèn)屬性的成員經(jīng)過(guò)不同方式繼承之后在派生類中的訪問(wèn)權(quán)限也進(jìn)行了比較，對(duì)不同重載方式下運(yùn)算符重載函數(shù)參數(shù)的個(gè)數(shù)也進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)對(duì)這些概念的理解和應(yīng)用，可以提高大學(xué)生初學(xué)者和程序員的學(xué)習(xí)與編程能力。本文作者的教學(xué)實(shí)踐表明，本文的關(guān)鍵概念教學(xué)實(shí)踐起到了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵字]面向?qū)ο?C++語(yǔ)言 關(guān)鍵概念 教學(xué)探索

[中圖分類號(hào)]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

一、引言

C++語(yǔ)言是在C語(yǔ)言基礎(chǔ)上發(fā)展的一門面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，全面兼容C語(yǔ)言[1]。C++語(yǔ)言采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢⒖陀^事物看作是具有屬性和行為的對(duì)象，能夠更為直接地描述客觀世界中存在的對(duì)象以及它們之間的關(guān)系[2～3]。目前C++語(yǔ)言是大多數(shù)電子、信息、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)中非常重要的程序設(shè)計(jì)課程，也是這些大學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課、進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)、以后上研究生或參加工作從事計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的主要編程語(yǔ)言。本人在多年的教學(xué)探索與實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大學(xué)生對(duì)很多新概念的理解方面存在概念模糊、混淆不清的情況，這主要是C++語(yǔ)言有很多新的概念難以理解，僅憑大學(xué)生在初次學(xué)習(xí)時(shí)很難對(duì)這些概念實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確理解和掌握，需要教師在授課前提前將這些概念進(jìn)行備課總結(jié)，在上課時(shí)采用表格形式在多媒體課件中播放，這樣能夠極大提高學(xué)生對(duì)這些概念的領(lǐng)悟和理解能力[4]。本人根據(jù)多年的教學(xué)工作實(shí)踐，總結(jié)出了多個(gè)大學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)難以區(qū)分和理解的概念，例如引用與指針的概念的區(qū)別，普通指針、指向常量的指針和常指針三種指針的對(duì)比，以及公有、私有、保護(hù)三種繼承方式的區(qū)別都進(jìn)行了詳細(xì)的比較，對(duì)不同重載方式下運(yùn)算符重載函數(shù)參數(shù)的個(gè)數(shù)也進(jìn)行了總結(jié)，為大學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)提供了有效參考。

二、引用與指針概念的區(qū)別

引用是面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言與C語(yǔ)言不同的一個(gè)重要概念，主要用于參數(shù)傳遞，引用的符號(hào)&與C語(yǔ)言的指針取地址運(yùn)算符&、進(jìn)行與操作的位運(yùn)算符&相同，需要進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)&符號(hào)出現(xiàn)在程序中，判斷它究竟是引用、位運(yùn)算符還是取地址運(yùn)算符，可以首先看它是否為雙目運(yùn)算符，如果是雙目運(yùn)算符，則為位運(yùn)算符，例如：

則上述程序中&為位運(yùn)算符。

取地址運(yùn)算符&和引用運(yùn)算符&都是單目運(yùn)算符。取地址運(yùn)算符是位于一個(gè)已經(jīng)存在的變量的前面。

則上述程序中就是把整型變量a的地址賦給指針變量p。

引用是標(biāo)識(shí)符的別名。引用是C++中的概念，初學(xué)者容易把引用和指針混淆一起。例如，下面程序中，b是a的一個(gè)引用，a 是被引用物。

程序中的b相當(dāng)于a的別名（或稱綽號(hào)），對(duì)b的任何操作就是對(duì)a的操作。所以b既不是a的拷貝，也不是指向a的指針，其實(shí)b就是a自己。

在下面的示例程序中，c被初始化為a的引用。語(yǔ)句c =b并不能將c修改成為b的引用，只是把c的值改變成為10。由于c 是a的引用，所以a的值也變成了10。

上面的程序看起來(lái)有點(diǎn)像在玩文字游戲，沒(méi)有體現(xiàn)出引用的真正價(jià)值。其實(shí)，引用的主要目的和功能是傳遞函數(shù)的返回值和參數(shù)。在C語(yǔ)言中，函數(shù)的返回值和參數(shù)的傳遞方式只有兩種：值傳遞、指針傳遞；而在C++語(yǔ)言中，函數(shù)的返回值和參數(shù)的傳遞方式有三種：值傳遞、指針傳遞和引用傳遞。

下面兩個(gè)例子分別描述了指針和引用參數(shù)傳遞的用法：

1.采用指針進(jìn)行參數(shù)傳遞的例子

2.采用引用進(jìn)行參數(shù)傳遞的例子

1.從現(xiàn)象上看，指針在運(yùn)行過(guò)程中可以改變它所指向的值，而引用一旦和某個(gè)對(duì)象綁定之后就不會(huì)再進(jìn)行改變；

2.從內(nèi)存分配上看，程序會(huì)為指針變量分配一定的內(nèi)存區(qū)域，而引用是和一個(gè)已經(jīng)存在的對(duì)象綁定，不會(huì)再分配內(nèi)存區(qū)域；

3.從編譯上看，指針可以改變所指向的對(duì)象（指針變量中的值可以改變），而引用一旦綁定一個(gè)對(duì)象后就不會(huì)再進(jìn)行改變。

實(shí)際上“引用”可以做的任何事情“指針”也都可以實(shí)現(xiàn)，那為什么還要用“引用”這個(gè)概念？這是由于指針能夠毫無(wú)約束地操作內(nèi)存中的任何地址，盡管指針功能十分強(qiáng)大，但是非常危險(xiǎn)，很容易把一些重要數(shù)據(jù)破壞。而引用在使用時(shí)只是和一個(gè)已經(jīng)存在的合法的存儲(chǔ)單元關(guān)聯(lián)，不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空的引用。

三、指向常量的指針與常指針的區(qū)別

很多大學(xué)生在學(xué)習(xí)普通指針、指向常量的指針和常指針概念時(shí)混淆不清。由于指針功能十分強(qiáng)大，對(duì)上述各種指針概念不清楚，就很容易出現(xiàn)內(nèi)存操作隱患。如果我們希望指針?biāo)赶虻膬?nèi)容不被隨意改變，可以聲明指向常量的指針，此時(shí)不能通過(guò)指針來(lái)改變所指對(duì)象的值，但指針本身可以改變，可以指向另外的對(duì)象。如果我們希望指針本身不被改變，則可以聲明常指針，即指針類型的常量（聲明為地址類型的常量，指針本身就是常量），則指針本身的值不能被隨便改變。表2給出了普通指針、指向常量的指針和常指針在使用時(shí)指針本身和指針?biāo)赶虻膬?nèi)容能否被改變的總結(jié)。

下面給出了四個(gè)例子，分別表示指向常量的指針和常指針?biāo)赶虻膬?nèi)容以及指針本身能否被改變的情況。

1.指向常量的指針的例子，所指向的內(nèi)容不能改變

2.指向常量的指針的例子，指針本身的值可以改變

3.常指針的例子，指針本身不可改變

4.常指針的例子，常指針?biāo)赶虻膬?nèi)容能改變

四、私有、公有與保護(hù)成員的區(qū)別

很多學(xué)生在學(xué)習(xí)私有、公有與保護(hù)成員三個(gè)概念時(shí)混淆不清，在使用從基類中繼承而來(lái)的成員時(shí)不清楚在派生類中是什么訪問(wèn)權(quán)限，從而導(dǎo)致程序編譯或運(yùn)行錯(cuò)誤?；惖某蓡T可以有public（公有類型）、protected（保護(hù)類型）、private（私有類型）三種訪問(wèn)屬性。其實(shí)，結(jié)合自然語(yǔ)言中的繼承概念，學(xué)生就很容易理解。公有類型外界能夠看得見(jiàn)，能夠被繼承下去。保護(hù)類型外界看不見(jiàn)，但是也能夠被繼承下去。私有類型外界看不見(jiàn)，能夠被繼承下去，占用內(nèi)存空間，但是在派生類中不可直接訪問(wèn)。保護(hù)類型的成員能夠被繼承下去，在派生類中可以直接訪問(wèn)，但是外界看不見(jiàn)。類的繼承方式有public（公有繼承）、protected（保護(hù)繼承）、private（私有繼承）三種。不同的繼承方式，會(huì)導(dǎo)致原來(lái)具有不同訪問(wèn)屬性的基類成員在派生類當(dāng)中具有不同的訪問(wèn)屬性。表3給出了基類不同訪問(wèn)屬性的成員經(jīng)過(guò)不同繼承方式后在派生類中的訪問(wèn)權(quán)限。

從表3可以看出，基類的私有成員無(wú)論經(jīng)過(guò)何種繼承方式都不能在派生類當(dāng)中直接訪問(wèn)，但是在派生類中占有內(nèi)存空間。在派生類外部，通過(guò)派生類的對(duì)象只能夠訪問(wèn)到以公有方式從基類繼承過(guò)來(lái)的公有成員。

從表3中還可以看出，保護(hù)類型成員的訪問(wèn)權(quán)限介于公有和私有之間。從橫向（外部訪問(wèn)）看，保護(hù)類型的成員和私有類型的成員一樣，在外部通過(guò)派生類的對(duì)象不可直接訪問(wèn)保護(hù)類型的成員。從縱向（繼承與派生關(guān)系）看，保護(hù)類型的成員和公有類型的成員一樣，能夠繼續(xù)派生到下一級(jí)的派生類中去。因此，保護(hù)類型的成員既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享（縱向看），又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)隱藏（橫向看），在數(shù)據(jù)的共享與保護(hù)之間找到了一個(gè)平衡點(diǎn)，有利于代碼的復(fù)用與擴(kuò)充。

五、運(yùn)算符重載函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)的確定

普通的運(yùn)算符只能對(duì)基本類型的變量進(jìn)行運(yùn)算。C++提供了運(yùn)算符重載的功能，能夠?yàn)橐粋€(gè)已有的運(yùn)算符提供多重含義。重載后的運(yùn)算符能夠?qū)ψ远x數(shù)據(jù)類型的變量進(jìn)行運(yùn)算。在C++語(yǔ)言中，運(yùn)算符重載有兩種形式，分別是重載為類的成員函數(shù)和類的非成員函數(shù)。

重載為類的成員函數(shù)時(shí)，參數(shù)個(gè)數(shù)等于原來(lái)操作數(shù)的個(gè)數(shù)減去1（后置++、后置--運(yùn)算符除外）。如果某一個(gè)對(duì)象使用重載了的成員函數(shù)，對(duì)象自身的數(shù)據(jù)可以直接訪問(wèn)，因此就不再需要放在參數(shù)表中進(jìn)行傳遞，少了的操作數(shù)就是該對(duì)象本身。

當(dāng)重載為非成員函數(shù)（通常為友元函數(shù)）時(shí)，由于友元函數(shù)不屬于任何一個(gè)類，利用友元函數(shù)對(duì)某一個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)成員進(jìn)行操作時(shí)，就必須利用該對(duì)象的名稱來(lái)進(jìn)行，因此所有使用到的參數(shù)都必須進(jìn)行傳遞，參數(shù)個(gè)數(shù)等于原來(lái)操作數(shù)的個(gè)數(shù)（后置++、后置--運(yùn)算符除外），而且至少應(yīng)該有一個(gè)參數(shù)為自定義類型的形參。

在C++語(yǔ)言中，為了區(qū)別前置和后置的單目運(yùn)算符自增自減運(yùn)算，后置自增與自減單目運(yùn)算符要在形參列表中增加一個(gè)int類型的參數(shù)來(lái)區(qū)分。綜上所述，我們采用表4來(lái)總結(jié)一下不同重載方式下運(yùn)算符重載函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)的確定方法。

從表4中可以看出，雙目運(yùn)算符重載為類的成員函數(shù)時(shí)參數(shù)為1個(gè)，重載為友元函數(shù)時(shí)參數(shù)為2個(gè)。前置自增、自減運(yùn)算符重載為類的成員函數(shù)時(shí)參數(shù)為0個(gè)，重載為友元函數(shù)時(shí)參數(shù)為1個(gè)；后置自增、自減運(yùn)算符重載為類的成員函數(shù)時(shí)參數(shù)為1個(gè)，重載為友元函數(shù)時(shí)參數(shù)為2個(gè)。

六、結(jié)論

本文對(duì)面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言中幾個(gè)難以理解的概念進(jìn)行了詳細(xì)描述與分析，使得大學(xué)生在學(xué)習(xí)C++語(yǔ)言中一些新的概念時(shí)能夠得到很好的理解與應(yīng)用。本文中引用與指針概念的區(qū)別，各種指針使用方法的比較、各種繼承方式、運(yùn)算符重載函數(shù)參數(shù)的個(gè)數(shù)的總結(jié)都采用表格的形式進(jìn)行了對(duì)比，清晰明了，能夠提高大學(xué)生對(duì)面向?qū)ο蟮年P(guān)鍵概念的理解和掌握能力。

基金項(xiàng)目：本文研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助（項(xiàng)目編號(hào)：61201434）、中國(guó)博士后基金特別資助（項(xiàng)目編號(hào)：200902593）、教育部博士點(diǎn)基金資助（項(xiàng)目編號(hào)：20090202120002）。

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（作者單位：陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 陜西西安）