C++静态成员函数和变量

Question

我正在通过制作一个小型机器人模拟来学习C ++，但是我在类内使用静态成员函数时遇到了问题。

我的Environment类的定义如下：

class Environment {
    private:
        int numOfRobots;
        int numOfObstacles;

        static void display(); // Displays all initialized objects on the screen

    public:
        Robot *robots;
        Obstacle *obstacles;

        // constructor
        Environment();

        static void processKeySpecialUp(int, int, int); // Processes the keyboard events
};

然后在构造函数中，我像这样初始化机器人和障碍物：

numOfRobots = 1; // How many robots to draw
numOfObstacles = 1;
robots = new Robot[numOfRobots];
obstacles = new Obstacle[numOfObstacles];

这是一个使用这些变量的静态函数示例：

void Environment::display(void) {
    // Draw all robots
    for (int i=0; i<numOfRobots; i++) {
        robots[i].draw();
    }
}

当我尝试编译时，我会收到像这样的错误消息

error: invalid use of member ‘Environment::robots’ in static member function

我尝试将 numOfRobots、numOfObstacles、robots 和 obstacles 声明为 static 变量，但是出现了以下错误：

error: undefined reference to 'Environment::numOfRobots'

如果有人能够解释我做错了什么，我将非常感激。 谢谢！

- Maxim Neaga

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在您的代码的静态版本中，您未能定义 Environment::numOfRobots，而只是声明了它。请在其中一个源文件中添加 int Environment::numOfRobots = 1;。一本关于C++的书籍将会解释如何声明和定义变量以及其他重要信息。 - john

既然你说你正在学习C ++，我可以建议使用标准库吗？具体来说，使用std :: vector而不是原始数组。 - bitmask

Answer 1

静态方法无法使用其类中的非静态变量。

这是因为静态方法可以像Environment::display()这样被调用，而不需要类实例，这使得任何在其中使用的非静态变量都是不规则的，也就是说，它们没有父对象。

您应该考虑为什么要尝试使用静态成员来达到此目的。基本上，静态方法的一种用法示例如下：

class Environment
{
private:
    static int maxRobots;
public:
    static void setMaxRobots(int max)
    {
        maxRobots = max;
    }
    void printMaxRobots();
};

void Environment::printMaxRobots()
{
    std::cout << maxRobots;
}

你需要在全局范围内初始化变量，例如：

int Environment::maxRobots = 0;

例如，在main内部，您可以使用：

Environment::setMaxRobots(5);

Environment *env = new Environment;
env->printMaxRobots();
delete env;

- Toribio

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你有什么想法可以解决这个问题吗？我尝试将那些变量设为静态的，但是我一直在收到错误信息（请参见我的问题的第二部分）... - Maxim Neaga

你必须初始化静态变量，请参阅静态成员函数。 - Toribio

Answer 2

这里有两个问题——你想要实现的算法和它无法编译的原因。

为什么它不能编译。

你在混合使用静态变量和实例变量/方法，这是可以的。但是你不能在静态方法中引用实例变量。这就是“无效使用”的错误。如果你思考一下，这是有道理的。只有一个“static void display()”方法。所以如果它试图引用非静态（实例）变量“robots”，它是指哪一个？可能有10个……或没有一个。

你想要实现的逻辑。

看起来你想要一个管理N个机器人的单一环境类。这是完全合理的。一种常见的方法是使环境成为“单例”——一个只允许一个实例变量的变量。然后它可以分配任意数量的机器人，并自由地引用它们，因为没有静态变量/方法。

另一种方法是直接将整个环境类设置为静态。然后保持机器人的（静态）列表。但我认为大多数人现在会说选项#1是正确的方式。

- Mark Stevens

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@user1739770，这个简单的答案是你有一个返回指向你的类的指针的静态方法；如果没有，则创建并返回它，否则返回指向现有对象的指针。这样你就有了一个“实例”类，但永远不会得到多份副本。实际上，这种方法在实践中有点难以处理：请参见https://dev59.com/Q3NA5IYBdhLWcg3wVcJx。 - Mark Stevens

Answer 3

static成员是指使用它们时不需要实例化的成员，因此它们没有this，因为this需要实例化：

class foo {
public
    void test() {
        n = 10; // this is actually this->n = 10
    }
    static void static_test() {
        n = 10; // error, since we don't have a this in static function
    }
private:
    int n;
};

正如您所见，您无法在static函数中调用实例函数或使用实例成员。因此，如果函数的操作不依赖于实例，并且如果您需要在函数中执行需要this的操作，则函数应该是静态的。如果您要调用这个需要this的函数，您必须考虑为什么我称这个函数为static。

如果一个成员变量应该在class的所有实例之间共享，并且它不属于任何特定的class实例，则该变量是static的。例如，我可能想要拥有一个计数器来记录我类的已创建实例数量：

// with_counter.h
class with_counter {
private:
    static int counter; // This is just declaration of my variable
public:
    with_counter() {++counter;}
    ~with_counter() {--counter;}

    static int alive_instances() {
        // this action require no instance, so it can be static
        return counter;
    }
};

// with_counter.cpp
int with_counter::counter = 0; // instantiate static member and initialize it here

- BigBoss

Answer 4

第一个错误指出不能在静态成员函数中使用非静态成员。

第二个错误指出你需要定义静态成员，除了声明它们。必须在源文件（而不是头文件）中定义静态成员变量，像这样：
```cpp class MyClass { static int myStaticMember; };

int MyClass::myStaticMember = 0; // define myStaticMember outside class ```

int Environment::numOfRobots = 0;

您不需要任何静态成员。为了拥有绝对正确和可移植的GLUT接口，需要一个类型为Environment的文件级对象和一个声明了C链接的文件级（非成员）函数。为方便起见，还需要一个名为display的成员函数。

class Environment 
{
 public:
   void display() { ... }
   ... 
};

static Environment env;
extern "C" void display () { env.display(); }

- n. m.

Answer 5

静态成员函数是一种可以在没有实际对象的情况下调用的函数。然而，您的函数Environment::display使用变量numOfRobots和robots，它们都存在于Environment类的特定实例中。要么使display非静态（为什么要使它成为静态的？），要么将机器人也作为Environment的静态成员。

在您的情况下，我不认为有理由使display或processKeySpecialUp成为static，所以只需将它们设置为普通成员函数即可。如果您想知道何时应该使用成员函数static，请考虑如果没有创建该类的任何对象（即没有调用构造函数），那么该函数是否有意义。如果该函数在此上下文中没有意义，则不应将其设置为static。

- amaurea

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我正在使用Glut库来处理图形，并且我需要保持显示静态。正如我之前所说，我尝试将这些变量设置为静态，但是我一直收到错误消息：undefined reference to 'Environment::numOfRobots'。 - Maxim Neaga

Answer 6

一个静态方法无法访问实例变量。如果你想要访问实例变量，需要从该方法中移除 static 关键字。如果这些值在所有机器人实例中都相同，则将它们设置为静态变量，该方法可以保持静态。

- evanmcdonnal

Answer 7

如果你想在静态成员函数中访问成员变量，只需创建成员变量的静态指针并在函数中使用它即可！

- A.Ajorian