【C++】类和对象（上）

一、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，不是纯面向对象，可以面向对象和面向过程混编，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。

---

二、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：之前在数据结构中用 C 语言方式实现的栈，结构体中只能定义变量；现在用 C++ 的方式实现， 会发现 struct 中也可以定义函数。

// C++兼容C struct语法
// C++同时将struct升级成了类
 
// C
typdef struct ListNode_C
{
    struct ListNode_C* next; // 不能写成LTNode next;
    int val;
}LTNode;
 
// C++
struct ListNode_CPP // ListNode_CPP既是类名，又是类型
{
    ListNode_CPP* next;
    int val;
};

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

虽然 C++ 可以兼容 C 语言，但是在 C++ 中更喜欢用 class 来代替对结构体的定义。

---

三、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 。

类体中的内容称为 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（如果符合 inline 条件：编译指令比较少）就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，建议采用第二种方式。

成员变量命名规则的建议：

1. 单词和单词之间首字母大写间隔 -- 驼峰法（GetYear）
2. 单词全部小写，单词之间_分隔（get_year）

驼峰法：

1. 函数名、类名等所有单词首字母大写（DateMgr）
2. 变量首字母小写，后面单词首字母大写（dateMgr）
3. 成员变量，首单词前面加_（_dateMgr）

class Date
{
public:
    void Init(int year)
    {     
        year = year; // 这里的year无法分清到底是成员变量，还是函数形参
    }
private:
    int year;
};
 
 
// 建议按下面这样写
class Date
{
public:
    void Init(int year)
    {
        _year = year; // 或者mYear = year;
    }
private:
    int _year;
};

---

四、类的访问限定符及封装

1、访问限定符

访问限定符说明：

1. public 修饰的成员在类外可以直接被访问，也能在类里面访问。
2. protected 和 private 修饰的成员在类外不能直接被访问，只能在类里面访问（这里 protected 和 private 是类似的，后面的继承才有区别）。
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 的默认权限为 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。

【C++ 中 struct 和 class 的区别是什么？】

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 ，而 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，在后面的文章中会有介绍 。

---

2、封装 

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（private / protected）对象的属性和实现细节，仅对外公开（public）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。

对于计算机使用者而言，不用关心内部核心部件，比如主板上线路是如何布局的，CPU 内部是如何设计的等，用户只需要知道，怎么开机、怎么通过键盘和鼠标与计算机进行交互即可。因此计算机厂商在出厂时，在外部套上壳子，将内部实现细节隐藏起来，仅仅对外提供开关机、鼠标以 及键盘插孔等，让用户可以与计算机进行交互即可。

C 语言没法封装，既可以规范使用函数访问数据，也可以直接访问数据，不规范。

而在 C++ 语言中实现封装，可以通过类将数据以及操作数据的方法进行有机结合，通过访问权限来隐藏对象内部实现细节，控制哪些方法可以在类外部直接被使用，规范。

---

五、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。

class Person
{
public:
    void PrintPersonInfo();
private:
    char _name[20];
    char _gender[3];
    int _age;
};
 
// 这里用::需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
    cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
}

作用域主要是影响编译器的搜索规则。

---

六、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. 打个比方，类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，而类就像是设计图，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。

---

七、类对象模型

1、如何计算类对象的大小

class A
{
public:
    void PrintA()
    {
        cout << _a << endl;
    }
private:
    char _a;
};
 
int main()
{
    cout << sizeof(A) << endl; // 1
    return 0;
}

类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何去计算一个类的大小呢？

---

2、类对象的存储方式猜测

（1）对象中包含类的各个成员

实例化的每个 A 对象的成员变量都是独立的，是不同的变量。但是每个 A 对象，调用的 PrintA 成员函数都是同一个。

缺陷 ：每个对象中成员变量是不同的，但是调用同一个函数，如果按照此种方式存储，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会保存一份代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么 如何解决呢？

---

（2）代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

---

（3）只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段 

编译链接时根据函数名去公共代码区找到函数的地址，call 函数地址。 

class A
{
public:
    void func()
    {
        cout << "void A::func()" << endl;
    }
};
 
int main()
{
    A* ptr = nullptr;
    ptr->func(); // 正常运行
 
    return 0;
}

---

【对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？】

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:
    void f1()
    {}
private:
    char _a;
    int _i;
};
 
// 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 << sizeof(A) << endl; // 8
    cout << sizeof(B) << endl; // 1
    cout << sizeof(C) << endl; // 1
 
    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，起到占位但不存储实际数据，标识其存在的作用。

---

3、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。

---

八、this指针

1、this指针的引出

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 -> 声明
    int _month; // 月
    int _day;   // 日
};
 
int main()
{
    Date d1, d2;
 
    d1.Init(2023, 1, 26);
    d2.Init(2023, 8, 9);
 
    d1.Print();
    d2.Print();
 
    return 0;
}

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 对象的呢？

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。

编译器处理：（但是不能直接这样写）

class Date
{ 
public:
    void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
    {
        this->_year = year;
        this->_month = month;
        this->_day = day;
    }
    
 
    void Print(Date* const this)
    {
        cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
    }
 
private:
    int _year;  // 年 -> 声明
    int _month; // 月
    int _day;   // 日
};
 
int main()
{
    Date d1, d2;
 
    d1.Init(&d1, 2023, 1, 26);
    d2.Init(&d2, 2023, 8, 9);
 
    d1.Print(&d1);
    d2.Print(&d2);
 
    return 0;
}

实参和形参位置不能显示传递和接收 this 指针，但是可以在成员函数内部使用 this 指针。 

class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << this << endl; // 00000000
        cout << "Print()" << endl; // Print()
    }
private:
    int _a;
};
 
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print(); // 正常运行 (把this传递过去，但没有对this进行使用)
    // p指针虽然调用了Print()这个函数，但是它不会到这个指针指向的对象里面去找，这个指针没有进行解引用 Print()函数在公共代码区，在编译链接的阶段就已经确定了它的地址，直接call地址
 
    return 0;
}
 
 
class A
{ 
public:
    void PrintA() 
    {
        cout << this << endl;
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};
 
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA(); // 运行崩溃 (this传递过去是个空指针)
 
    return 0;
}

---

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。所以在对象中不存储 this 指针。所以this 指针是存放在栈区的，因为它是一个形参。
4. this 指针是 “ 成员函数 ” 第一个隐含的指针形参，在 VS2019 下面传递 this 指针，一般情况是由编译器通过 ecx 寄存器自动传递，这样 this 访问变量可以提高效率，且不需要用户传递。

this 指针的用途：

• 解决名称冲突：当形参和成员变量同名时，可用 this 指针来区分。
• 在类的非静态成员函数中返回对象本身，可使用 return *this 。

---

3、C语言和C++实现Stack的对比

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。而且每个方法不再需要传递 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 语言中需要用户自己进行维护。