机器人操作系统ROS:从入门到放弃(四)　C++类，命名空间，模版，CMakeLists介绍

本文作者：陈瓜瓜   由于下一讲要讲到怎么在类中pub和sub消息．那么考虑到有些同学对类不甚熟悉．我们稍微回顾一下．但关于类网上一查其实一大堆东西，而且都是从入门讲起．所以我这儿肯定不会重复书写那些内容．要介绍的几个东西，其实本来要用得好的话蛮复杂，我们只会涉及到皮毛，重心会放在和之前的代码比较，以了解之前我们之前三讲的很多语法为什么可以那么写． 比如上一讲的geometry_msgs::PoseStamped的对象msg包含成员变量header和pose，heaer包含成员变量stamp等，为什么我们就可以使用msg.header.stamp这种语法来获取类型为time的变量？ 再比如std_msgs::Int8这种语法怎么来的，中间那个::表示什么意思，以及它前后的std_msgs和In8有什么区别． 再比如我们定义ROS publisher时  

ros::Publisher chatter_pub = n.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000);

mkdir ~/C++Test
cd C++Test
mkdir classTest
mkdir namespaceTest
mkdir templateTest

  咱们创建一个叫C++Test的文件夹，再创建三个用于测试三种东西的子文件夹．之后，在classTest文件夹下创建一个叫classBasic.cpp的文件和一个叫CMakeLists.txt的文件．在classBasic.cpp中输入下面内容.    

#include <iostream>

class poorPhd{
public:
    /*define constructor*/
    poorPhd(){
        std::cout<<"we create a poor phd class"<<std::endl;
    }

    /*public member variable*/
    int hairNumber = 100;

    /*public member function*/
    int getGirlFriendNumber(){
        return girlFriendNumber;
    }

private:
    /*private member variable*/
    int girlFriendNumber = 0;
};

int main(){
    /*define the object*/
    poorPhd phd;//will use constructor function 
 
    /*call the public memberfunction*/
    std::cout<<"girlFriendnNumber is "<<phd.getGirlFriendNumber()<<std::endl;

    /*change tha value of member variale*/
    phd.hairNumber = 101;

    /*call the member variable*/
    std::cout<<"hairNumber is "<<phd.hairNumber<<std::endl;

    /*define class pointer*/
    poorPhd *phdPointer;

    /*assign the pointer to an object*/
    phdPointer = &phd;

    /*call the member variable*/
    std::cout<<"use pointer, hair number is "<<phdPointer->hairNumber<<std::endl;
}

project(class_test)

cmake_minimum_required(VERSION 2.8)
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAG} -std=c++11 -Wall")

add_executable(classBasic classBasic.cpp)

这基本上算是一个最简单的CMakeLists.txt文件了．CMakeLists.txt是用来编译C++文件的． 第一行表明了项目名称． 第二行输入CMake使用的最小版本号，一般是2.8以及以上． 第三行设定编译器．使用c++11．虽然我们的项目没用到c++11但是考虑到如今c++已经被普遍使用了，所以最好加上．我们在ROS的CMakeLists里注释过这个内容add_compile_options(-std=c++11)达到的也是使用c++11编译的效果． 第四行指定要编译的文件．要编译的文件是classBasic.cpp，编译后的可执行文件名字叫classBasic． 写完上面的内容后，保存退出． 在terminal中cd 到classTest这个文件夹输入下面的内容      

mkdir build
cd build
cmake ..
make

    第一二行命令创建一个叫build的文件夹并进入 第三行命令使用是使用cmake命令并通过..表示使用上一个文件夹的CMakeLists.txt．执行这行命令之后我们写的CMakeLists就会产生一系列的文件在build中，其中一个是Makefile．其他的这里不作介绍 第四行命令是使用makefile．makefile的作用就是直接编译你在CMakeLists里设定好的文件了． 建立一个build文件夹不是必须的但是推荐，因为你看到build里有一系列编译CMakeLists.txt里产生的文件，你以后要删除或者修改他们会比较方便，不至于和其他文件混在一起． 执行完上面的命令后，你会看到多了一个叫classBasic的文件没有后缀，这就是我们的可执行二进制文件了．使用./classBasic执行后得到下面的输出      

we create a poor phd class
girlFriendnNumber is 0
hairNumber is 101
use pointer, hair number is 101

#include <iostream>

class poorPhd{
public:
    /*define constructor*/
    poorPhd(){
        std::cout<<"we create a poor phd class"<<std::endl;
    }

    /*public member variable*/
    int hairNumber = 100;

    /*public member function*/
    int getGirlFriendNumber(){
        return girlFriendNumber;
    }

private:
    /*private member variable*/
    int girlFriendNumber = 0;
};

class master1 {
public:
    /*define constructor*/
    master1(){
        std::cout<<"we create a master class"<<std::endl;
    }
    /*member variable*/
    poorPhd future;
};


int main(){
    /*define the object*/
    master1 mStudent1;

    /*use inheritance*/
    std::cout<<"hairNumber of master student 1 is "<<mStudent1.future.hairNumber<<std::endl;
}

    poorPhd类和上一个文件完全一样，我们新添加了一个类叫master1．master1同样有一个构造函数．另外它有一个成员变量，这个成员变量是poorPhd类型的对象future.那么在main函数中，定义了master1的对象mStudent1．咱们就可以用mStudent1.future调用变量future，再由于future是poorPhd类型的变量，所以可以用future.hairNumber调用hairNumber．连在一起就可以通过定义msater1的对象却最终调用了poorPhd的成员变量了． 保存退出后，在CMakeLists.txt中添加下面的内容．    

add_executable(classBasic2 classBasic2.cpp)

    terminal中进入classTest/build文件加输入  

cmake ..
make

    这时候就多了一个二进制文件classBasic2，执行该二进制文件你会看到    

we create a poor phd class
we create a master class
hairNumber of master student 1 is 100

std::cout<<"....."<<std::endl;

    如果你使用了using namespace std这条语句，那么你就只需要下面的内容打印语句    

cout<<"...."<<endl;

    但是你如果没写过大型程序的话，可能没有机会自己写过命名空间．命名空间一般是用来避免重命名的．大型的库里面一般定义了很多类，无数的函数．不同的大型的库之间很可能会有函数甚至类的命名重复，这会造成很大的麻烦． namespace的命名语法也很简单      

namespace name{
    //内容
}

    下面这个程序简单地展示了两个命名空间里定义相同名字的类，并分别使用两个类的简单程序．  

#include <iostream>

/*define a phd namespace*/
namespace phd {

    /*define a student class in phd namespace*/
    class student{
    public:
        student(){
            std::cout<<"create a student class in phd namespace"<<std::endl;
        }
        int graduateYear = 5;
        int hairNumber   = 100;
    };
}

/*define a master namespace*/
namespace master{

    /*define a student class in master namespace*/
    class student{
    public:
        student(){
            std::cout<<"create a student class in master namespace"<<std::endl;
        }
        int graduateYear = 2;
        int hairNumber   = 10000;
    };
}

int main(){

    /*create an object of student class, in phd namespace*/
    phd::student     phdStudent;

    /*create an object of student class, in master namespace*/
    master::student  masterStudent;

    std::cout<<"phd normally graduate in "<<phdStudent.graduateYear<<" years"<<std::endl;

    std::cout<<"master normally graduate in "<<masterStudent.graduateYear<<" years"<<std::endl;
}

    上面的这个程序定义了两个命名空间，一个叫phd，一个叫master，这两个命名空间拥有一个类，类名都叫student． 定义命名空间中的类的对象的方法是命名空间名::类名　对象名．::被称为作用域符号(scope resolution operator)．在main函数中我们定义了phd命名空间下的student类的对象phdStudent和master命名空间下的类student的对象masterStudenrt.　后面的两行各自输出了成员变量graduateYear． 在我们之前的ros程序中，遇到了两个命名空间，一个是std_msgs，另一个是geometry_msgs．Int8, Float64等都是std_msgs这个命名空间下的类，PoseStamped等是geometry_msgs这个命名空间下的类． 回到上面的程序我们在定义完phd这个命名空间后，可以使用using namespace phd，这样在main函数中我们可以不使用phd::来定义一个phd下的student类的对象,直接student phdStudent即可．同样，如果我们添加using namespace master，我们也可以直接使用student masterStudent来定义msater命名空间下student类的对象． 但是如果在程序中同时添加了  

using namespace phd;
using namespace master;

#include <iostream>

int square(int a){
    return a*a;
}

int main(){
   double x = 5.3;
   std::cout<<"the square of "<<x <<" is "<<square(x)<<std::endl;
}

    这个程序有个很明显的缺点，编写函数或者使用变量时，都必须先指定类型，由于c++函数形参类型和返回值已经指定为int类型了，你只能传int类型进去，如果传double类型的变量进去，变量会被强制转换截断为int类型．而且只能return整型的变量．所以你只能得到25． 基本的解决方法是函数的重载，即我可以命名相同的函数但是变量类型或者个数不同以实现对不同输入的处理．类似于下面这样      

#include <iostream>

int square(int a){
    return a*a;
}

double suqare(double a ){
    return a*a;
}

int main(){
   double x = 5.3;
   std::cout<<"the square of "<<x <<" is "<<square(x)<<std::endl;
}

    这样调用square(x)时会自动匹配形参相同的函数．我们可以得到5.3的平方．但是可以想象，如果我有很多不同类型的变量要传入，我就得写好多不同的除了变量类型不同，其他的一模一样的函数了！有没有一种方法，形参什么类型都是可以的呢？ 模版应运而生．模版的定义方式是    

template <typename T>

    或者    

template <class T>

      定义完之后后面紧跟要实现的函数或者是类．这个class不是我们之前理解的那种class了．这儿的class和typename作用完全一样，表示定义了一个新的类型T．这个新的类型具体是什么不知道，要等我们具体使用时程序根据传入的类型自行判断． 咱们先上代码，实现数字平方相同的功能.  

#include <iostream>

template <typename T>
T square(T a){
    return a*a;
}

int main(){
    double x = 5.3;
    std::cout<<"square of "<<x<<" is "<<square(x)<<std::endl;
}

      现在你无论传什么类型的数据进去，都会得到它的平方．sqaure指定的函数形参和返回值类型都为T．可以这样理解，现在当我们传入一个double类型的变量时，T就会自动变成double，传入int时，T就自动变为int． 下面来一个稍微复杂一点的例子的．实现两个向量的相加(好像也不怎么复杂…).　向量在c++里是不能直接相加的．我们定义向量时要指定向量元素的类型．比如std::vector<int> a，std::vector<double> b等．和上一个例子一样，为了避免传入重载函数，我们使用模版．代码如下      

#include <iostream>
#include <vector>

template <typename T, typename U>
U addVector(T vec1, U vec2){
    
    U result;

    if(vec1.size()!=vec2.size()){
        std::cout<<"cannot add two vector, they must be the same length. Return a null vector"<<std::endl;
        return result;
    }

    for(int i = 0; i<vec1.size(); i++){
        result.push_back(vec1[i]+vec2[i]);
    }
    return result;
}

int main(){
    std::vector<int> vec1 = {1,2,3};
    std::vector<double> vec2 = {4.0,5.0,6.0};

    auto addVec = addVector(vec1,vec2);

    for(auto i:addVec)
        std::cout<<i<<",";

    std::cout<<std::endl;
}

    我们的tempalte定义了两个类型，一个叫U，一个叫T．为什么要定义两个呢？因为前面说过模板定义的具体类型在使用时确定的，在主函数中我们要加两个vector,一个是int类型的，作为第一个参数传入addVector，那么T就会是std::vector<int>，而第二个参数是double类型的向量，作为第二个参数传入函数后U就会相当于std::vector<double>，函数返回的类型也是U. 程序主函数第三行使用了auto这个关键字．使用c++11编译才可使用auto．这个是很有用的关键字．auto会自动分配被它定义的对象的类型，根据赋值的变量的类型．addVector返回的是U，在这个程序里也就是std::vector<double>了．那么auto会自动让addVec称为dpuble类型的vector． 主函数第四行的for循环采用的是有别于我们常用的for循环的形式．    

for(auto i:addVec)

      其中i:addVec的作用是把addVec中的元素依次赋值给i，这就要求i的类型得和addVec中的元素的类型相同，不过有auto的帮助，我们也就不用管这么多了，把i的类型定义为auto，那么程序会自动让i成为addVec中要赋值给i的元素的类型，这儿也就是double了． 说了这么多，还没到我们最初想讲的，那就是类似于std::vector<int>和我们使用ros的时候定义的advertise<std_msgs::String>这种类型的语法是怎么来的？首先根据命名空间那儿的学习我们知道std肯定是代表命名空间的名字了，vector是一个类，而<int>则来源于模版．如果我们使用模版定义了一个类，则会出现类似的内容．还是用简单的square函数来举例．我们来建立一个简单的sqaure类．

#include <iostream>

template <typename T>
class square{
public:
    T a;
    /*constructor function will store _a*_a as public member a*/
    square(T _a){
        a = _a*_a;
    }
};


int main(){
    double x = 5.5;
    square<double> test(x);
    std::cout<<"the square of "<<x<<" is "<<test.a<<std::endl;
}

    在声明了模版之后紧接着我们声明了一个类，类的公有成员函数是一个类型为T的值a．主函数中，在我们声明模版下定义的类的对象时，我们需要在<>之中表明T的类型．再这之后才能定义对象．即普通的类的对象的定义格式如下    

类名　对象名(构造函数参数)

    模版下的类的对象定义的格式就是    

类名<模版变量类型> 对象名(构造函数参数)