C++ 静态成员函数：深入理解与应用

回顾：静态成员变量的访问

在前一课《静态成员变量》中，我们学到：静态成员变量属于类本身，而非类的对象。若其访问权限为 public，可直接通过类名加作用域解析运算符 :: 访问：

#include <iostream>

class Something
{
public:
    static inline int s_value{ 1 };
};

int main()
{
    std::cout << Something::s_value; // s_value 为 public，可直接访问
}

若静态成员变量为 private，则无法直接访问：

#include <iostream>

class Something
{
private:                    // 现为 private
    static inline int s_value{ 1 };
};

int main()
{
    std::cout << Something::s_value; // 错误：s_value 为 private
}

此时，我们无法在 main() 中直接访问 Something::s_value。常规做法是通过公有的普通成员函数暴露接口，但这要求先实例化对象：

#include <iostream>

class Something
{
private:
    static inline int s_value{ 1 };

public:
    int getValue() { return s_value; } // 普通成员函数
};

int main()
{
    Something s{};
    std::cout << s.getValue(); // 可行，但必须实例化对象
}

显然，这种做法并不理想。

静态成员函数

成员函数亦可声明为 static。将上例改为静态成员函数：

#include <iostream>

class Something
{
private:
    static inline int s_value{ 1 };

public:
    static int getValue() { return s_value; } // 静态成员函数
};

int main()
{
    std::cout << Something::getValue() << '\n';
}

静态成员函数不与任何对象关联，可直接通过 类名:: 调用；也可通过对象调用，但不推荐。

静态成员函数的两个特点

无 this 指针
静态成员函数不属于任何对象，自然没有 this 指针。
- 非静态成员必须依赖对象调用，因此需要 this；
- 静态成员函数无需对象即可执行，故无需 this。
只能直接访问静态成员
静态成员函数可直接访问其他静态成员（变量或函数），但不能直接访问非静态成员，因为非静态成员必须依附于对象，而静态成员函数无对象可用。

在类外定义静态成员函数

静态成员函数亦可在类外实现，语法与普通成员函数一致：

#include <iostream>

class IDGenerator
{
private:
    static inline int s_nextID{ 1 };

public:
    static int getNextID(); // 声明
};

// 类外定义（注意无需再次使用 static）
int IDGenerator::getNextID() { return s_nextID++; }

int main()
{
    for (int count{ 0 }; count < 5; ++count)
        std::cout << "The next ID is: " << IDGenerator::getNextID() << '\n';
}

输出：

The next ID is: 1
The next ID is: 2
The next ID is: 3
The next ID is: 4
The next ID is: 5

由于所有数据与函数均为静态，无需实例化即可使用其功能。

头文件中的静态成员函数

根据第 15.2 课《类与头文件》：

类内定义的静态成员函数隐式内联；
类外定义的静态成员函数不隐式内联，若置于头文件，应显式加 inline，以避免违反一次定义规则（ODR）。

全静态成员类的注意事项

编写“全静态成员类”（亦称“单态类”）时需留意：

单例性
所有静态成员仅实例化一次，无法拥有多个独立副本。如需两个独立的 IDGenerator，则无法用纯静态类实现。
全局状态风险
纯静态类等价于全局命名空间中的全局变量与函数，任何代码均可修改其状态，易导致难以察觉的错误。
替代方案：
- 使用普通类并实例化一个全局对象；
- 需要时仍可创建局部对象，保持灵活性。

纯静态类 vs 命名空间

相同点：均可在作用域内定义静态变量和函数。
差异点：类具备访问控制（private、protected、public），命名空间则无。
若需隐藏数据成员或提供封装，优先使用类；否则使用命名空间。

C++ 无静态构造函数

C++ 不支持“静态构造函数”。若静态成员可直接初始化，可在定义处完成（即使为 private）：

#include <iostream>

struct Chars
{
    char first{}, second{}, third{}, fourth{}, fifth{};
};

struct MyClass
{
    static inline Chars s_mychars{ 'a', 'e', 'i', 'o', 'u' };
};

int main()
{
    std::cout << MyClass::s_mychars.third; // 输出 i
}

若初始化需执行复杂逻辑（如循环），可借助函数返回对象：

#include <iostream>

struct Chars
{
    char first{}, second{}, third{}, fourth{}, fifth{};
};

class MyClass
{
private:
    static Chars generate()
    {
        Chars c{};
        c.first  = 'a';
        c.second = 'e';
        c.third  = 'i';
        c.fourth = 'o';
        c.fifth  = 'u';
        return c;
    }

public:
    static inline Chars s_mychars{ generate() };
};

int main()
{
    std::cout << MyClass::s_mychars.third; // 输出 i
}

相关技巧亦可用 lambda 实现，详见第 8.15 课《全局随机数》。

小测验

问题 1
将以下 Random 命名空间改写为“全静态成员类”：

#include <chrono>
#include <random>
#include <iostream>

namespace Random
{
    inline std::mt19937 generate()
    {
        std::random_device rd{};
        std::seed_seq ss{
            static_cast<std::seed_seq::result_type>(
                std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch().count()),
            rd(), rd(), rd(), rd(), rd(), rd(), rd() };
        return std::mt19937{ ss };
    }

    inline std::mt19937 mt{ generate() };

    inline int get(int min, int max)
    {
        return std::uniform_int_distribution{min, max}(mt);
    }
}

int main()
{
    for (int count{ 1 }; count <= 10; ++count)
        std::cout << Random::get(1, 6) << '\t';
    std::cout << '\n';
    return 0;
}

（答案略）