C++：成员函数和非成员函数的区别

Question

C++中成员函数和非成员函数有什么区别？

- Luke

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有趣的是，我原以为答案会很枯燥，但看起来我们对此有非常不同的看法！ - Matthieu M.

Answer 1

一个成员函数（下面称为方法）与一个自由函数（下面称为函数）之间有几个区别。

首先，让我们简单地说一下它们并不是完全不同的。目标代码通常可以编译成 C（或汇编），这些是没有方法概念的过程式语言。方法和函数都像子例程一样被调用。

既然这个问题解决了，让我们来看看它们之间的区别。它们可以分为两类：概念上的和语法上的。

语法上的

语法是任何语言中最显而易见的部分，所以也是最容易处理的部分。

首先要注意：C++ （以及其他一些语言）中有两种不同类型的方法，即 static 方法和普通方法。

两种类型的方法都可以完全访问类内部（protected 和 private 部分），当然还可以访问类的 public 接口。

static 方法等同于 friend 函数（除了某些作用域上的差异）。

在普通方法中，一个特殊关键字（例如 C++ 中的 this）允许访问调用该方法的当前对象（通过 .、->、.* 或 ->* 运算符）。

普通方法可以是 const 和/或 volatile 限定的，使其适用于（分别是）const 和/或 volatile 限定的对象。例如，不能在 const 对象上调用非 const 方法。这可以看作在方法内对 this 加以限定，即 void Foo::bar() const 具有类型为 Foo const* 的 this。

一个普通方法可以被标记为 virtual。虚拟性通过启用重写来实现运行时多态性。这个机制在这里不再详细说明，让我们注意到函数不能是虚函数。

常常忽略的一点是，方法（包括静态和普通方法）是在类内部范围内声明的。这对于名称查找（其他方法或属性/变量的查找）非常重要，因为它意味着从类外部声明的元素中进行查找时，类的元素具有优先权。

由于在属性或方法之前使用this->限定符并不是强制性的，在普通方法中很方便，但可能会引入微妙的错误。在静态方法中，它避免了通过类名限定要访问的静态属性和方法。

既然主要的语法差异已经确定，那么让我们检查概念上的差异。

从概念上讲

OOP通常是关于将状态和行为（针对该状态）联系在一起的。这是通过创建类来完成的，该类组合属性（状态）和行为（方法），并（理论上）声称只有方法才能作用于状态。因此，在OOP中，方法负责实现类的行为。

这些方法参与封装状态（使客户端摆脱实现细节）和保持类不变式（有关类状态的语句，从其诞生到其消亡始终成立，无论您对其做什么）。

C++

如我们之前所见，在C++中，这是通过使用不同的访问级别（public，protected和private）并将非公共级别的访问权限授予受限制的代码部分来完成的。通常情况下，属性将是私有的，因此只能由类方法（以及一些朋友，用于语法怪癖）访问。

注意：我敦促您不要使用protected属性，因为很难追踪它们的修改，并且由于派生类的集合是无限的......它们的实现不能容易地改变。

不过要注意，C++ 不鼓励在接口中添加过多的方法。

问题在于，由于方法负责维护不变量，方法越多，责任就会分散，导致更难追踪错误和确保正确性。此外，由于方法依赖于类内部，所以改动成本更高。

相反，在 C++ 中，通常建议编写最少量的方法，并将其余行为委托给非friend函数（只要不增加太多成本）。

• 请参阅 Sutter 在Monolith Unstrung中对std::string的看法。
• Sutter 强调了委托给非友元方法的重要性，在其Interface Principle中指出，与类一起提供的函数（在同一文件或命名空间中）并使用该类的函数逻辑上是类接口的一部分。他在《Exceptional C++》中再次强调了这一点。

这个答案变得有点啰嗦了，但我怀疑我可能忽略了其他人认为关键的差异...... 哦好吧。

- Matthieu M.

Answer 2

非静态的成员函数有一个隐式的this参数，而非成员函数则没有。

语法上，在.或->操作符的左侧传递这个隐式参数，例如like.so()或like->so()，而不是作为函数参数so( like )。

同样地，当声明一个成员函数时，你需要在它所属的类中进行声明：

class Class {
public:
    void a_public_member_function();
};

非成员函数在任何类外声明（C++称之为“命名空间范围”）。

(非静态) 成员函数也可以是 虚函数，但非成员函数和静态成员函数不行。

- Marc Mutz - mmutz

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请确保清楚地回答这个问题，不要将“非静态”成员函数与“静态”成员函数混淆。 - Johannes Schaub - litb

Answer 3

在一个类的对象上调用非静态成员函数，该函数会隐式地拥有代表当前对象的this指针，通过这个指针，它可以轻松访问其他成员并具有完全访问权限（即访问private成员）。

非成员函数没有隐式的this指针。在下面的示例中，bar是成员函数，而freebar不是。它们两个或多或少做相同的事情，但请注意bar如何通过this获取隐式对象指针（仅bar具有访问foo成员的特权，freebar只能访问公共成员）。

class foo {
public:

    void bar() {
        this->x = 0; // equivalent to x = 0;
    }

    int x;
};

void freebar(foo* thefoo) {
   thefoo->x = 1;
}


// ... 
foo f;
f.bar();
// f.x is now 0

freebar(&f);
// f.x is now 1

从语义上讲，成员函数不仅仅是一个具有隐式this参数的函数。它旨在定义对象的行为（例如，汽车对象将具有drive（）, stop（）作为成员函数）。

请注意，还存在静态成员函数，它们具有完全的权限，但不会得到隐式的"this"，也不通过类的实例调用（而是通过类的完整名称进行调用）。

- Alexander Gessler

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this 是语言实现的遗留问题。个人认为应该强调方法作用于特定对象的关系，而不是关注如何实现这种关系。在99.9%的情况下，您实际上并不使用 this，但仍然与对象的成员进行交互（我唯一使用它的地方是在 operator= 中返回对自身的引用）。 - Martin York

我稍微编辑了一下我的文本，强调了成员函数的语义含义。 - Alexander Gessler

@Martin 这是一种实现遗留问题，但对于理解C++中的差异及其后果至关重要。 - Alexander Gessler

我认为这需要更细致的区分。如果一个成员函数是非静态的，它才能访问this。 - Johannes Schaub - litb

添加了关于static成员函数的注释。 - Alexander Gessler

@Alexander Gessler：我不同意。事实上，我认为这会妨碍新手理解面向对象的概念；因为他们会把这个实现细节的知识应用到语言的其他部分。这个概念应该从面向对象的角度来解释，而不是从C++如何实现这个概念的角度来解释。正如上面所解释的，你几乎永远不需要使用this指针。如果你从例子中删除“this”，代码仍然完全相同。 - Martin York

Answer 4

在下面的代码中，f()是Sample类的成员函数，而g()是非成员函数：

class Sample
{
  void f();
};

void g();

很简单。由于f()是类Sample的成员，因此它被称为类Sample的成员函数。而由于g()不属于任何类，因此它被称为非成员函数。

- Nawaz

Answer 5

对象上调用成员函数并可以访问类的字段。

成员函数可以通过virtual关键字实现多态性，这对于面向对象编程是必不可少的。

- fredoverflow

Answer 6

成员函数会在实例上被调用，同时有一个可用的“this”指针；而非成员函数则没有。

- nobody

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这是否意味着，除了静态函数之外，类的所有函数都是成员函数？ - Luke

@Luke：是的。（我写这个时候想着肯定会有人指出我忘记了什么晦涩的东西）。附言：我不是你的父亲（愿第四的力量与你同在）。 - Martin York

@Luke，不是的，它并不会混淆静态和非静态成员函数。那些回答将静态成员函数与非静态成员函数混淆的都是错误的。请参考@mmutz的答案以获得正确的描述。 - Johannes Schaub - litb