深入解析C++编程中的静态成员函数

C++静态成员函数

与数据成员类似，成员函数也可以定义为静态的，在类中声明函数的前面加static就成了静态成员函数。如

  static int volume( );

和静态数据成员一样，静态成员函数是类的一部分，而不是对象的一部分。

如果要在类外调用公用的静态成员函数，要用类名和域运算符“::”。如

  Box::volume( );

实际上也允许通过对象名调用静态成员函数，如

  a.volume( );

但这并不意味着此函数是属于对象a的，而只是用a的类型而已。

与静态数据成员不同，静态成员函数的作用不是为了对象之间的沟通，而是为了能处理静态数据成员。

我们知道，当调用一个对象的成员函数(非静态成员函数)时，系统会把该对象的起始地址赋给成员函数的this指针。而静态成员函数并不属于某一对象，它与任何对象都无关，因此静态成员函数没有this指针。既然它没有指向某一对象，就无法对一个对象中的非静态成员进行默认访问（即在引用数据成员时不指定对象名）。

可以说，静态成员函数与非静态成员函数的根本区别是：非静态成员函数有this指针，而静态成员函数没有this指针。由此决定了静态成员函数不能访问本类中的非静态成员。

静态成员函数可以直接引用本类中的静态数据成员，因为静态成员同样是属于类的，可以直接引用。在C++程序中，静态成员函数主要用来访问静态数据成员，而不访问非静态成员。

假如在一个静态成员函数中有以下语句：

  cout<<height<<endl; //若height已声明为static，则引用本类中的静态成员，合法
  cout<<width<<endl; //若width是非静态数据成员，不合法

但是，并不是绝对不能引用本类中的非静态成员，只是不能进行默认访问，因为无法知道应该去找哪个对象。

如果一定要引用本类的非静态成员，应该加对象名和成员运算符“.”。如

  cout<<a.width<<endl; //引用本类对象a中的非静态成员

假设a已定义为Box类对象，且在当前作用域内有效，则此语句合法。

通过下面这个例子可以具体了解有关引用非静态成员的具体方法。

[例] 静态成员函数的应用。

#include <iostream>
using namespace std;
class Student          //定义Student类
{
public:
  Student(int n,int a,float s):num(n),age(a),score(s){ }   //定义构造函数
  void total( );
  static float average( );   //声明静态成员函数
private:
  int num;
  int age;
  float score;
  static float sum;      //静态数据成员
  static int count;      //静态数据成员
};
void Student::total( )           //定义非静态成员函数
{
  sum+=score;              //累加总分
  count++;                //累计已统计的人数
}
float Student::average( )         //定义静态成员函数
{
  return(sum/count);
}
float Student::sum=0;           //对静态数据成员初始化
int Student::count=0;           //对静态数据成员初始化
int main( )
{
  Student stud[3]={           //定义对象数组并初始化
   Student(1001,18,70),
   Student(1002,19,78),
   Student(1005,20,98)
  };
  int n;
  cout<<"please input the number of students:";
  cin>>n;                //输入需要求前面多少名学生的平均成绩
  for(int i=0;i<n;i++)         //调用3次total函数
   stud[i].total( );
  cout<<"the average score of "<<n<<" students is "<<Student::average( )<<endl;
  //调用静态成员函数
  return 0;
}

运行结果为：

please input the number of students:3↙
the average score of 3 students is 82.3333

关于静态成员函数成员的几点说明：
在主函数中定义了stud对象数组，为了使程序简练，只定义它含3个元素，分别存放3个学生的数据。程序的作用是先求用户指定的n名学生的总分，然后求平均成绩(n由用户输入)。
在Student类中定义了两个静态数据成员sum(总分)和count(累计需要统计的学生人数)， 这是由于这两个数据成员的值是需要进行累加的，它们并不是只属于某一个对象元素，而是由各对象元素共享的，可以看出： 它们的值是在不断变化的，而且无论对哪个对象元素而言，都是相同的，而且始终不释放内存空间。
total是公有的成员函数，其作用是将一个学生的成绩累加到sum中。公有的成员函数可以引用本对象中的一般数据成员(非静态数据成员)，也可以引用类中的静态数据成员。score是非静态数据成员，sum和count是静态数据成员。
average是静态成员函数，它可以直接引用私有的静态数据成员(不必加类名或对象名)， 函数返回成绩的平均值。
在main函数中，引用total函数要加对象名(今用对象数组元素名)， 引用静态成员函数average函数要用类名或对象名。
请思考，如果不将average函数定义为静态成员函数行不行？程序能否通过编译？需要作什么修改？为什么要用静态成员函数？请分析其理由。

C++ static静态成员变量和静态成员函数
一般情况下，如果有N个同类的对象，那么每一个对象都分别有自己的成员变量，不同对象的成员变量各自有值，互不相干。但是有时我们希望有某一个或几个成员变量为所有对象共有，这样可以实现数据共享。

可以使用全局变量来达到共享数据的目的。例如在一个程序文件中有多个函数，每一个函数都可以改变全局变量的值，全局变量的值为各函数共享。但是用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。

如果想在同类的多个对象之间实现数据共享，也不要用全局变量，那么可以使用静态成员变量。
static静态成员变量

静态成员变量是一种特殊的成员变量，它以关键字 static 开头。例如：

class Student{
private:
  char *name;
  int age;
  float score;
  static int num; //将num定义为静态成员变量
public:
  Student(char *, int, float);
  void say();
};

这段代码声明了一个静态成员变量 num，用来统计学生的人数。

static 成员变量属于类，不属于某个具体的对象，这就意味着，即使创建多个对象，也只为 num 分配一份内存，所有对象使用的都是这份内存中的数据。当某个对象修改了 num，也会影响到其他对象。

static 成员变量必须先初始化才能使用，否则链接错误。例如：

int Student::num; //初始化

也可以在初始化时赋初值：

int Student::num = 10; //初始化同时赋值

初始化时可以不加 static，但必须要有数据类型。被 private、protected、public 修饰的 static 成员变量都可以用这种方式初始化。

注意：static 成员变量的内存空间既不是在声明类时分配，也不是在创建对象时分配，而是在初始化时分配。

static 成员变量既可以通过对象来访问，也可以通过类来访问。通过类来访问的形式为：

类名::成员变量;

例如：

//通过类来访问
Student::num = 10;
//通过对象来访问
Student stu;
stu.num = 10;

这两种方式是等效的。

注意：static 成员变量与对象无关，不占用对象的内存，而是在所有对象之外开辟内存，即使不创建对象也可以访问。

下面来看一个完整的例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class Student{
private:
  char *name;
  int age;
  float score;
  static int num; //将num定义为静态成员变量
public:
  Student(char *, int, float);
  void say();
};
int Student::num = 0; //初始化静态成员变量
Student::Student(char *name, int age, float score){
  this->name = name;
  this->age = age;
  this->score = score;
  num++;
}
void Student::say(){
  //在普通成员函数中可以访问静态成员变量
  cout<<name<<"的年龄是 "<<age<<"，成绩是 "<<score<<"（当前共"<<num<<"名学生）"<<endl;
}
int main(){
  //使用匿名对象
  (new Student("小明", 15, 90))->say();
  (new Student("李磊", 16, 80))->say();
  (new Student("张华", 16, 99))->say();
  (new Student("王康", 14, 60))->say();
  return 0;
}

运行结果：

小明的年龄是 15，成绩是 90（当前共1名学生）
李磊的年龄是 16，成绩是 80（当前共2名学生）
张华的年龄是 16，成绩是 99（当前共3名学生）
王康的年龄是 14，成绩是 60（当前共4名学生）

本例中将 num 声明为静态成员变量，每次创建对象时，会调用构造函数，将 num 的值加 1。之所以使用匿名对象，是因为每次创建对象后只会使用它的 say 函数，不再进行其他操作。不过请注意，使用匿名对象有内存泄露的风险。

关于静态数据成员的几点说明：
1) 一个类中可以有一个或多个静态成员变量，所有的对象都共享这些静态成员变量，都可以引用它。

2) static 成员变量和普通 static 变量一样，编译时在静态数据区分配内存，到程序结束时才释放。这就意味着，static 成员变量不随对象的创建而分配内存，也不随对象的销毁而释放内存。而普通成员变量在对象创建时分配内存，在对象销毁时释放内存。

3) 静态成员变量必须初始化，而且只能在类体外进行。例如：

int Student::num = 10;

初始化时可以赋初值，也可以不赋值。如果不赋值，那么会被默认初始化，一般是 0。静态数据区的变量都有默认的初始值，而动态数据区（堆区、栈区）的变量默认是垃圾值。

4) 静态成员变量既可以通过对象名访问，也可以通过类名访问，但要遵循 private、protected 和 public 关键字的访问权限限制。当通过对象名访问时，对于不同的对象，访问的是同一份内存。
static静态成员函数

在类中，static 除了声明静态成员变量，还可以声明静态成员函数。普通成员函数可以访问所有成员变量，而静态成员函数只能访问静态成员变量。

我们知道，当调用一个对象的成员函数（非静态成员函数）时，系统会把当前对象的起始地址赋给 this 指针。而静态成员函数并不属于某一对象，它与任何对象都无关，因此静态成员函数没有 this 指针。既然它没有指向某一对象，就无法对该对象中的非静态成员进行访问。

可以说，静态成员函数与非静态成员函数的根本区别是：非静态成员函数有 this 指针，而静态成员函数没有 this 指针。由此决定了静态成员函数不能访问本类中的非静态成员。

静态成员函数可以直接引用本类中的静态数据成员，因为静态成员同样是属于类的，可以直接引用。在C++程序中，静态成员函数主要用来访问静态数据成员，而不访问非静态成员。

如果要在类外调用 public 属性的静态成员函数，要用类名和域解析符“::”。如：

Student::getNum();

当然也可以通过对象名调用静态成员函数，如：

stu.getNum();

下面是一个完整的例子，通过静态成员函数获得学生的平均成绩：

#include <iostream>
using namespace std;
class Student{
private:
  char *name;
  int age;
  float score;
  static int num; //学生人数
  static float total; //总分
public:
  Student(char *, int, float);
  void say();
  static float getAverage(); //静态成员函数，用来获得平均成绩
};
int Student::num = 0;
float Student::total = 0;
Student::Student(char *name, int age, float score){
  this->name = name;
  this->age = age;
  this->score = score;
  num++;
  total += score;
}
void Student::say(){
  cout<<name<<"的年龄是 "<<age<<"，成绩是 "<<score<<"（当前共"<<num<<"名学生）"<<endl;
}
float Student::getAverage(){
  return total / num;
}
int main(){
  (new Student("小明", 15, 90))->say();
  (new Student("李磊", 16, 80))->say();
  (new Student("张华", 16, 99))->say();
  (new Student("王康", 14, 60))->say();
  cout<<"平均成绩为 "<<Student::getAverage()<<endl;
  
  return 0;
}

运行结果：

小明的年龄是 15，成绩是 90（当前共1名学生）
李磊的年龄是 16，成绩是 80（当前共2名学生）
张华的年龄是 16，成绩是 99（当前共3名学生）
王康的年龄是 14，成绩是 60（当前共4名学生）
平均成绩为 82.25

上面的代码中，将 num、total 声明为静态成员变量，将 getAverage 声明为静态成员函数。在 getAverage 函数中，只使用了 total、num 两个静态成员变量。