【C++】类和对象（1）

已于 2025-03-07 18:51:51 修改
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文章标签： c++ 开发语言
于 2025-03-07 18:29:14 首次发布
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1.类的定义

1.1 类定义格式

1.2 访问限定符 

1.3 类域 

2. 实例化

2.1 实例化概念

2.2 对象大小

2.3 this指针

3. 练习 

4. C++和C语言实现Stack对比

1.类的定义

1.1 类定义格式

  • class为定义类的关键字，Stack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。
  • 为了区分成员变量，一般习惯上成员变量会加一个特殊标识，如成员变量前面或者后面加_或者m 开头，注意C++中这个并不是强制的，只是一些惯例，具体看公司的要求。
  • C++中struct也可以定义类，C++兼容C中struct的用法，同时struct升级成了类，明显的变化是 struct中可以定义函数，一般情况下我们还是推荐用class定义类。
  • 定义在类里面的成员函数默认为inline。

1.2 访问限定符 

  • C++一种实现封装的方式，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。
  • public修饰的成员在类外可以直接被访问；protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问。
  • 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，如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
  • class定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private，struct 默认为 public。
  • 一般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别人使用的成员函数会放为public。
#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{
public:
     //成员函数
    void Init(int n = 4)
    {

    }
    void Push(int x)
    {        
       
    }
    int Pop()
    {       
        
    }   
private:
    //成员变量
    int* a;
    int capacity;
    int top;
}; // 分号不能省略

int main()
{
    Stack st;  
    st.Push(1);
    st.Pop();  

    return 0;
}
class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
private:
    // 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识，如 _ 或者 m 开头

    int _year; //year_   m_year  mYear
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
    Date d;
    d.Init(2024, 3, 31);
    return 0;
}
// struct升级成了类 
// 1 、类⾥⾯可以定义函数
// 2 、结构体名称就可以代表类型

// C++兼容C中struct 的⽤法
typedef struct ListNodeC
{
    struct ListNodeC* next;
    int val;
}LTNode;

//不再需要typedef , ListNodeCPP就可以代表类型
struct ListNodeCPP
{    
    ListNodeCPP* next;
    int val;
};

int main()
{
    return 0;
}

1.3 类域 

  • 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。
  • 类域影响的是编译的查找规则，下面程序中Init 如果不指定类域Date，那么编译器就把Init 当成全局函数，那么编译时，找不到_year等成员的声明/定义在哪里，就会报错。指定类域Date，就知道Init 是成员函数，当前域找不到的_year等成员，就会到类域中去查找。
class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day);
    
private:   
    int _year; 
    int _month;
    int _day;
};

void Date::Init(int year, int month, int day)  //声明和定义分离需要指定类域
{
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
}

2. 实例化

2.1 实例化概念

  • 用类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。
  • 类是对象进行一种抽象描述，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，用类实例化出对象时，才会分配空间。
  • 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。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，类就像是设计图，设计图规划了有多 少个房间，房间大小功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住人，用设计图修建出房子，房子才能住人。同样类就像设计图一样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据。

class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    
private:   
    //这里只是声明 没有开空间
    int _year; 
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
   // Date类实例化出对象d1和d2
    Date d1;
    Date d2;

    return 0;
}

2.2 对象大小

分析一下类对象中哪些成员呢？类实例化出的每个对象，都有独立的数据空间，所以对象中肯定包含成员变量，那么是否包含成员函数呢？

对象中只存储成员变量。首先函数被编译后是一段指令，对象中没办法存储，这些指令存储在一个单独的区域(代码段)，那么对象中非要存储的话，只能是成员函数的指针。再分析一下，对象中是否有存储指针的必要呢，Date实例化d1和d2两个对象，d1和d2都有各自独立的成员变量_year/_month/_day存储各自的数据，但是d1和d2的成员函数Init /Print指针却是一样的，存储在对象中就浪费了。如果用Date实例化100个对象，那么成员函数指针就重复存储100次，就太浪费了。这里需要再额外哆嗦一下，其实函数指针是不需要存储的，函数指针是一个地址，调用函数被编译成汇编指令[call 地址]，其实编译器在编译链接时，就要找到函数的地址，不是在运行时找，只有动态多态是在运行时找，就需要存储函数地址，这个以后会慢慢学习。

#include<iostream>
using namespace std;

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:   
    //这里只是声明 没有开空间
    int _year; 
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
   // Date类实例化出对象d1和d2
    Date d1;   
    Date d2;

    d1.Init(2025, 3, 4);
    d1.Print();

    d2.Init(2025, 4, 3);
    d2.Print();

    return 0;
}

设计一的缺陷：每个对象中的成员变量不同，如果实例化100个对象，每个对象都保存一份函数，重复存储100次，存在极大的浪费。

设计二：只保存成员变量，将成员函数存放在公共的代码区，不存在浪费。类对象的存储方式采用的是设计二。

内存对齐规则

  • 第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
  • 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）
  • 结构体总大小为：最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
  • 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。
#include<iostream>
using namespace std;

// 计算⼀下A  B  C实例化的对象是多⼤？
class A
{
public:
	void Print()
	{
	cout << _ch << endl;
	}
private:
	char _ch;
	int _i;
};

class B
{
public:
	void Print()
	{
		//...
	}
};

class C
{};

int main()
{
	A a;
	B b;
	C c;
	cout << sizeof(a) << endl;
	cout << sizeof(b) << endl;
	cout << sizeof(c) << endl;

	return 0;
}

运行结果：

上面的程序运行后，我们看到没有成员变量的B和C类对象的大小是1，为什么没有成员变量还要给一个字节呢？因为如果一个字节都不给，怎么表示对象存在过呢？所以这里给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。

2.3 this指针

#include<iostream>
using namespace std;

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:   
    //这里只是声明 没有开空间
    int _year; 
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
   // Date类实例化出对象d1和d2
    Date d1;   
    Date d2;

    d1.Init(2025, 3, 4);
    d1.Print();

    d2.Init(2025, 4, 3);
    d2.Print();

    return 0;
}

运行结果：

上述定义的日期类实例化出两个对象d1和d2，并且初始化后将其打印。我们知道d1和d2调用的Print是同一个函数，存放在公共代码区。

我们发现一个问题？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 和 Print函数时，该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢？调用的Print都是在公共代码段里找的，怎么区分出来的呢？

那么这里就要看到C++给了一个隐含的this指针解决这里的问题。

  • 编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第一个位置，增加一个当前类类型的指针，叫做 this 指针。比如Date类的 Init 的真实原型为：void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
  • 类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this ->_year = year;
  • C++规定不能在实参和形参的位置显示的写this指针(编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显示使用 this 指针。
#include<iostream>
using namespace std;
//对原代码进行处理
class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)//void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
    {
        _year = year;  // this->_year = year;
        _month = month;//this->_month = month;
        _day = day;    //this->_day = day;
    }
    void Print() // void Print(Date* const this)
    {
        cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
        // cout << this->_year << "/" << this->_month << "/" << this->_day << endl;
    }
    
private:       
    int _year; 
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{  
    Date d1;   
    Date d2;

    d1.Init(2025, 3, 4);//d1.Init(&d1, 2025, 3, 4);
    d1.Print();// d1.Print(&d1);

    d2.Init(2025, 4, 3);// d2.Init(&d2, 2025, 4, 3);
    d2.Print();//d2.Print(&d2);

    return 0;
}

其实成员函数里面增加了一个隐藏的指针参数，指针指向调用该函数的对象，d1对象调用函数，就把d1对象的地址传进去。

this指针就是形参，接受对象的地址，this指针被const修饰，不能被修改，但是this指针指向的对象可以被修改。

注意：this指针不能在形参和实参的位置显示的写出来，编译器会自动完成，函数体里面可以使用this指针，上面程序函数体的this指针可以不写，编译器也会帮我们完成。

3. 练习 

练习1：下面程序运行的结果是（） 

A、编译报错        B、运行崩溃        C、正常运行

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << this << endl;
        cout << "A::Print()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p = nullptr; 
                   //mov ecx p
    p->Print();   //call Print函数地址

   //p->_a = 5; 报错！this指针访问成员变量，造成了对空指针的解引用

    return 0;
}

运行结果：

学习了C语言，会认为上面程序代码 p->Print(); 会发生对空指针解引用，会造成程序崩溃，但是为什么程序能够正常运行呢？

C++中类的成员函数地址存储在代码区，并不在对象的内存空间中，p->Print()在底层会被转化为类似A::p->Print(p)的调用形式，会把空指针p作为this指针传递给成员函数Print，但由于成员函数本身不在对象内，所以没有直接去解引用p来获取函数的地址，只是传递了这个空指针作为this指针，从语法角度看，这种调用形式符合C++语法规则，所以不会出现编译错误。

其实编译器在编译的时候，p->Print() 底层会转换成汇编指令 call  Print函数地址，调用的时候将p（对象的地址）作为this指针传递给成员函数Print，然后进行打印this指针和字符串，不会发生对this指针解引用，也没有访问成员变量，所以程序可以正常运行。如果访问对象成员，比如：p->_a = 5;就会因空指针解引用导致运行崩溃。

练习2：下面程序运行的结果是（） 

A、编译报错        B、运行崩溃        C、正常运行

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << "A::Print()" << endl;
        cout << _a << endl; //对this指针解引用，程序崩溃！
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();

    return 0;
}

cout << _a << endl; 这里发生对空指针解引用访问对象成员造成程序崩溃！

练习3：this指针存在内存哪个区域（）

A. 栈           B.堆          C.静态区            D.常量区          E.对象里面

this指针存储在栈或寄存器中，而非对象内部。（在VS下存在ecx寄存器下）

this指针是在调用成员函数时作为参数传递，因此与参数一样存储在栈上，因为this需要经常作为参数传入函数，有的编译器会对此进行优化，选择存储在寄存器上，这是编译器的个性化行为。

4. C++和C语言实现Stack对比

面向对象三大特性：封装、继承、多态，下面的对比我们可以初步了解一下封装。

通过下面两份代码的对比，我们发现C++实现Stack形态上还是发生了许多的变化，但是底层和逻辑上没啥变化。

  • C++中数据和函数都放到了类里面，通过访问限定符进行了限制，不能再随意通过对象直接修改数据，这是C++封装的一种体现，这个是最重要的变化。这里的封装的本质是一种更严格规范的管理，避免出现乱访问修改的问题，当然封装不仅仅是这样的。
  • C++中有一些相对方便的语法，比如Init 给的缺省参数会方便很多，成员函数每次不需要传对象地址，因为this指针隐含的传递了，方便了很多，使用类型不再需要typedef，用类名就很方便。

C实现Stack：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;
void STInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}
void STDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	// 满了， 扩容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity *
			sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
bool STEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}
void STPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	ps->top--;
}
STDataType STTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	ps->top--;
}
STDataType STTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}
int STSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}
int main()
{
	ST s;
	STInit(&s);
	STPush(&s, 1);
	STPush(&s, 2);
	STPush(&s, 3);
	STPush(&s, 4);
	while (!STEmpty(&s))
	{
		printf("%d\n", STTop(&s));
		STPop(&s);
	}
	STDestroy(&s);
	return 0;
}

C++实现Stack：

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
    //成员函数
     void Init(int n = 4)
     {
        _a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
        if (nullptr == _a)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
                return;
        }
        _capacity = n;
        _top = 0;
     }
     void Push(STDataType x)
     {
        if (_top == _capacity)
        {
            int newcapacity = _capacity * 2;
            STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity *
                sizeof(STDataType));
            if (tmp == NULL)
            {
                perror("realloc fail");
                return;
            }
            _a = tmp;
            _capacity = newcapacity;
        }
        _a[_top++] = x;
     }
     void Pop()
     {
        assert(_top > 0);
        --_top;
     }
    bool Empty()
    {
        return _top == 0;
    }
    int Top()
    {
        assert(_top > 0);
        return _a[_top - 1];
    }
    void Destroy()
    {
        free(_a);
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }
private:
    // 成员变量
    STDataType* _a;
    size_t _capacity;
    size_t _top;
};

int main()
{
    Stack s;
    s.Init();
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    s.Push(4);
    while (!s.Empty())
    {
        printf("%d\n", s.Top());
        s.Pop();
    }
    s.Destroy();
    return 0;
}

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