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【C++初阶】类与对象（上）

社会演员多 • • IT • 阅读 57

类与对象（上）

    • 1.面向过程和面向对象初步认识
    • 2.类的引入
    • 3.类的定义
    • 4.类的访问限定符及封装
      • 4.1 访问限定符
      • 4.2 封装
    • 5.类的作用域
    • 6.类的实例化
    • 7.类对象模型
      • 7.1 如何计算类对象的大小
      • 7.2 结构体内存对齐规则
    • 8.this指针
    • 8.1 this指针的引出
    • 8.2 this指针的特性
    • 8.3. C语言和C++实现Stack的对比

1.面向过程和面向对象初步认识

C语言是面向过程的，关注的是过程，分析出求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。


C++是基于面向对象的，关注的是对象，将一件事情拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成

2.类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。比如：之前在数据结构初阶中，用C语言方式实现的栈，结构体中只能定义变量；现在以C++方式实现，会发现struct中也可以定义函数。

typedef int DataType;
struct Stack
{
	void Init(size_t capacity)
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}
	void Push(const DataType& data)
	{
		// 扩容
		_array[_size] = data;
		++_size;
	}
	DataType Top()
	{
		return _array[_size - 1];
	}
	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
	DataType* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
int main()
{
	Stack s;
	s.Init(10);
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	cout << s.Top() << endl;
	s.Destroy();
	return 0;
}

在C++中struct更喜欢用class来代替

  • C++兼容c语言struct的所有用法
  • struct同时升级成了类，类名就是类型
  • Stack就是类型，不需要加struct

3.类的定义

class className
{
    // 类体：由成员函数和成员变量组成
}; // 一定要注意后面的分号

class为定义类的关键字，ClassName为类的名字，{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号不能省略。
类体中内容称为类的成员：类中的变量称为类的属性或成员变量; 类中的函数称为类的方法或者成员函数。

类的两种定义方式：

  1. 声明和定义全部放在类体中，需注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将其当成内联函数处理。


2. 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::

一般情况下，更期望采用第二种方式。

// 我们看看这个函数，是不是很僵硬？
class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		// 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？
		year = year;//
	}
private:
	int year;
};
// 所以一般都建议这样
class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		_year = year;
	}
private:
	int _year;
};
// 或者这样
class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		mYear = year;
	}
private:
	int mYear;
};

4.类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

C++实现封装的方式：用类将对象的属性与方法结合在一块，让对象更加完善，通过访问权限选择性的将其接口提供给外部的用户使用

【访问限定符说明】

  1. public修饰的成员在类外可以直接被访问
  2. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的)
  3. 访问权限作用域从该访问限定符出现的位置开始直到下一个访问限定符出现时为止
  4. 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
  5. class的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)
    注意：访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没有任何访问限定符上的区别
    【面试题】
    问题：C++中struct和class的区别是什么？
    解答：C++需要兼容C语言，所以C++中struct可以当成结构体使用。另外C++中struct还可以用来定义类。和class定义类是一样的，区别是struct定义的类默认访问权限是public，class定义的类默认访问权限是private。注意：在继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别，后序给大家介绍。

4.2 封装

【面试题】
面向对象的三大特性：封装、继承、多态。
在类和对象阶段，主要是研究类的封装特性，那什么是封装呢？
封装：将数据和操作数据的方法进行有机结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口来和对象进行交互。
封装本质上是一种管理，让用户更方便使用类比如：对于电脑这样一个复杂的设备，提供给用户的就只有开关机键、通过键盘输入，显示器，USB插孔等，让用户和计算机进行交互，完成日常事务。但实际上电脑真正工作的却是CPU、显卡、内存等一些硬件元件。

5.类的作用域

类定义了一个新的作用域，类的所有成员都在类的作用域中。在类体外定义成员时，需要使用 ::作用域操作符指明成员属于哪个类域。

Person.h文件
//定义一个人的类
class Person
{
	//成员函数——显式基本信息
	void showInfo();
	//成员变量
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

Person.cpp文件
#include "Person.h"

void Person::showInfo()
{
	cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;
}

如上面的成员函数showInfo，对于函数体中出现的变量_name等，编译器会先在当前函数的局部域中搜索，如果没有找到，接下来会到对应的类域里面去搜索，当类域里面也没有的时候，最后回到全局区搜索，如果全局也没有，编译就会报错。

注意：所有的域都会影响访问，但是只有全局域和局部域会影响生命周期，而类域和命名空间域不会影响声明周期。

6.类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

  1. 类是对对象进行描述的，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没有分配实际的内存空间来存储它；比如：入学时填写的学生信息表，表格就可以看成是一个类，来描述具体学生信息。
  2. 一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象 占用实际的物理空间，存储类成员变量
int main()
{
	Person._age = 100; // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
	return 0;
}

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄
3. 做个比方。类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，类就像是设计图，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间

7.类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1
{
public:
	void f1() {}
private:
	int _a;
};
// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
	void f2() {}
};
// 类中什么都没有---空类
class A3
{};

int main()
{
	cout << "A1的大小" << sizeof(A1) << endl;
	cout << "A2的大小" << sizeof(A2) << endl;
	cout << "A3的大小" << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}


结论：一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和，当然要注意内存对齐
注意空类的大小，空类比较特殊，编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的对象

sizeof(类)和sizeof(对象)计算出来的结果是一样

7.2 结构体内存对齐规则

  1. 第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
  2. 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
    注意：对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。
    VS中默认的对齐数为8
  3. 结构体总大小为：最大对齐数（所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小）的整数倍。
  4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

【面试题】

  1. 结构体怎么对齐？ 为什么要进行内存对齐？

  2. 如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐？能否按照3、4、5即任意字节对齐？

  3. 什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景
    自定义类型：结构体，枚举，联合
    深度刨析数据在内存中的储存
    上两篇文章中有做回答

8.this指针

8.1 this指针的引出

//定义一个日期类
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;     // 年
	int _month;    // 月
	int _day;      // 日
};
int main()
{
	Date d1, d2;//定义两个日期类
	d1.Init(2022, 1, 11);//给d1初始化化
	d2.Init(2022, 1, 12);//给d2初始化
	d1.Print();//调用Print函数
	d2.Print();//调用Print函数
	return 0;
}


对于上述类，有这样的一个问题：
Date类中有 Init 与 Print 两个成员函数，函数体中没有关于不同对象的区分，那当d1调用 Init 函数时，该函数是如何知道应该设置d1对象，而不是设置d2对象呢？

C++中通过引入this指针解决该问题，即：C++编译器给每个“非静态的成员函数“增加了一个隐藏的指针参数，让该指针指向当前对象(函数运行时调用该函数的对象)，在函数体中所有“成员变量”的操作，都是通过该指针去访问。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。

8.2 this指针的特性

  1. this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
  2. 只能在“成员函数”的内部使用
  3. this指针本质上是“成员函数”的形参，当对象调用成员函数时，将对象地址作为实参传递给
    this形参。所以对象中不存储this指针。
  4. this指针是“成员函数”第一个隐含的指针形参，一般情况由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}

	//void Print(Date* const this)
	//{
	//	cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
	//}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

class A
{
private:
	char _ch;
	int _a;
};

int main()
{
	Date d1;
	Date d2;

	d1.Init(2023, 10, 7);
	d2.Init(2022, 10, 7);

	// 不能显示写this相关实参和形参
	d1.Print();
	d2.Print();

	//d1.Print(&d1);
	//d2.Print(&d2);

	return 0;
}

【面试题】

  1. this指针存在哪里？
    vs下存到ecx寄存器
  2. this指针可以为空吗？
// 1.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

上面这段代码，定义了一个A类型的指针p，并把它置为空，然后用这个指针p去调用成员函数，不会发生解引用，因为Print函数的地址不在对象中（要看转换成汇编指令，都干了些啥，这里直接去call成员函数的地址）。p会作为实参传递给this指针。传递空指针不会报错，所以此时成员函数中的隐藏参数this指针，是拷贝的p指针的值，所以此时的形参this指针是nullptr。针对这个题目，首先可以排除掉A选项，因为空指针的问题是属于运行时错误，不可能是编译时错误。这道题目选C，代码可以正常运行，因为，虽然this指针是空，但是在Print成员函数中，我们并没有去访问任何类中的其他成员，这就意味着，我们根本就没有使用这个this指针，所以代码可以正常运行。

// 1.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();
	return 0;
}

和上面的代码一样，这段代码的this指针也是nullptr，但是这段代码会运行崩溃，因为在成员函数Print中使用了类中的其他成员_a，这就相当于this->_a，而this是一个空指针，这就成了解引用空指针，所以会运行崩溃。

8.3. C语言和C++实现Stack的对比

  1. C语言实现
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
	DataType* array;
	int capacity;
	int size;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
	if (NULL == ps->array)
	{
		assert(0);
		return;
	}
	ps->capacity = 3;
	ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->array)
	{
		free(ps->array);
		ps->array = NULL;
		ps->capacity = 0;
		ps->size = 0;
	}
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
	if (ps->size == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity * 2;
		DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->array,
			newcapacity * sizeof(DataType));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		ps->array = temp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
	assert(ps);
	CheckCapacity(ps);
	ps->array[ps->size] = data;
	ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
	if (StackEmpty(ps))
		return;
	ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->array[ps->size - 1];
}
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->size;
}
int main()
{
	Stack s;
	StackInit(&s);
	StackPush(&s, 1);
	StackPush(&s, 2);
	StackPush(&s, 3);
	StackPush(&s, 4);
	printf("%d\n", StackTop(&s));
	printf("%d\n", StackSize(&s));
	StackPop(&s);
	StackPop(&s);
	printf("%d\n", StackTop(&s));
	printf("%d\n", StackSize(&s));
	StackDestroy(&s);
	return 0;
}

可以看到，在用C语言实现时，Stack相关操作函数有以下共性：

  • 每个函数的第一个参数都是Stack*
  • 函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL
  • 函数中都是通过Stack*参数操作栈的
  • 调用时必须传递Stack结构体变量的地址
  • 结构体中只能定义存放数据的结构，操作数据的方法不能放在结构体中，即数据和操作数据的方式是分离开的，而且实现上相当复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出错。
  1. C++实现
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	void Init()
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
		if (NULL == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		_capacity = 3;
		_size = 0;
	}
	void Push(DataType data)
	{
		CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	void Pop()
	{
		if (Empty())
			return;
		_size--;
	}
	DataType Top() { return _array[_size - 1]; }
	int Empty() { return 0 == _size; }
	int Size() { return _size; }
	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = NULL;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	void CheckCapacity()
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			int newcapacity = _capacity * 2;
			DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
				sizeof(DataType));
			if (temp == NULL)
			{
				perror("realloc申请空间失败!!!");
				return;
			}
			_array = temp;
			_capacity = newcapacity;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};
int main()
{
	Stack s;
	s.Init();
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	s.Push(4);
	printf("%d\n", s.Top());
	printf("%d\n", s.Size());
	s.Pop();
	s.Pop();
	printf("%d\n", s.Top());
	printf("%d\n", s.Size());
	s.Destroy();
	return 0;
}

C++中通过类可以将数据 以及 操作数据的方法进行完美结合，通过访问权限可以控制那些方法在类外可以被调用，即封装，在使用时就像使用自己的成员一样，更符合人类对一件事物的认知。
而且每个方法不需要传递Stack*的参数了，编译器编译之后该参数会自动还原，即C++中 Stack *参数是编译器维护的，C语言中需用用户自己维护。

💘不知不觉，【C++初阶】类与对象（上）学习告一段落。通读全文的你肯定收获满满，让我们继续为C++学习共同奋进!!!

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