【C++入门】2 类与对象 上

目录

1.面向过程和面向对象初步认识

2.类的引入

3.类的定义

类的两种定义方式

4.类的访问限定符及封装

访问限定符

访问限定符说明

封装

5.类的作用域

6.类的实例化

7.类对象模型

如何计算类对象的大小

7.2 类对象的存储方式猜测

对象中包含类的各个成员

代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段 

结构体内存对齐规则

8.this指针

this指针的引出

this指针的特性

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;
}

---

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

3.类的定义

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，即声明与变量分离                                  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。

4.类的访问限定符及封装

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

未声明的标识符的报错的原因：找不到它定义的出处。

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。前面提到的类实际上就是用的封装的思想
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。

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。

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。   

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

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。 类就像是一张建筑图纸，画好了建设的蓝图，但实际建设需要机械材料钢筋混凝土，这些东西占用空间，而图本身不占用空间。
类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。
谜语："年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈" 谜底：山羊
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。

  

这里对象与对象的实例化类似与变量的声明与定义，声明就好比对象，对象的实例化就好比是定义，因为定义最重要的标志就是开空间！

上面错误的根本原因是把person当成结构体对其成员变量进行直接给访问，在C++中person显然已成成为了类域，应该用person::_a的访问方式，所以这里编译器报了语法错误， 就上图如果对person这个类命名为man 进行实例化，才可以写man.a这样的语法。

7.类对象模型

如何计算类对象的大小

class A
{
public:
void PrintA()
{
  cout<<_a<<endl;
}
private:
char _a;
};

问题：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？如何计算
一个类的大小？

7.2 类对象的存储方式猜测

对象中包含类的各个成员

缺陷：每个对象中成员变量是不同的，但是调用同一份函数，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？

代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段 

问题：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？
我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

#include<iostream>

using namespace std;

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 << sizeof(A1) << " ";
	cout << sizeof(A2) << " ";
	cout << sizeof(A3) << " ";



	return 0;
}

结果很显然，是第三种方式存储的，因为函数本身不占用类的空间，相同的函数放在了公共代码段，也就是类成员函数表中。

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。

没有成员变量的类大小为1字节。

首先是规定的原因。

更深层的原因：如果一点空间都不给，就没法定义，没法表示这个对象存在过。因为定义的标志是开空间。占位，标识对象实例化时，定义出来存在过。

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

前两个问题可以对比着一起回答

内存对齐会导致空间浪费。那为什么还要内存对齐?

第一个是因为一次读4或8字节，第二个是因为硬件上的原因，起始位置必须是整数倍的位置。

在 C 语言中,可以使用 #pragma pack(n) 指令来控制结构体的对齐方式。这个指令可以设置结构体成员的对齐边界,使其按照指定的字节数进行对齐。

例如,如果想让结构体按照 3、4、5 字节对齐,可以使用以下代码:

#pragma pack(3)
struct MyStruct {
    char a;
    int b;
    short c;
};
#pragma pack()

在这个例子中,#pragma pack(3) 指令设置了结构体成员的对齐边界为 3 字节。当结构体成员被声明时,编译器会根据这个对齐边界来决定每个成员在结构体中的偏移量。

变量之间连续存储可以吗？

如果按照3个字节的读，a得读两次，效率就降低了，因此结构体的对齐原则的设定有自己的道理，这样的读的效率高。

第三个问题

大小端(Endianness)是指计算机中多字节数据在内存中的存储顺序。

在计算机中,一个整数(如int型)占用4个字节,每个字节占8位(bit)。根据这些字节在内存中的存储顺序,可以分为两种情况:

1. 小端(Little-Endian)存储:低位字节存放在低地址,高位字节存放在高地址。这是Intel等x86系列处理器使用的存储方式。
2. 大端(Big-Endian)存储:高位字节存放在低地址,低位字节存放在高地址。这是PowerPC、MIPS等处理器使用的存储方式。

如何测试一个机器是大端还是小端存储?

可以使用以下C代码来测试:

#include <stdio.h>

int main() {
    int i = 0x12345678; // 一个4字节整数
    char *p = (char *)&i; // 将整数强制转换为字符指针

    if (*p == 0x78) { // 低地址存储的是低位字节
        printf("Little-Endian\n");
    } else {
        printf("Big-Endian\n");
    }

    return 0;
}

运行该程序,如果输出"Little-Endian",则说明该机器是小端存储;如果输出"Big-Endian",则说明该机器是大端存储。这个原理是,我们将一个整数强制转换为字符指针,然后查看低地址处存储的是否是低位字节,从而判断存储方式。需要注意的是,大小端问题只会影响多字节数据的存储和读取,对单字节数据(如char型)是没有影响的。

8.this指针

this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

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;
d1.Init(2022,1,11);
d2.Init(2022, 1, 12);
d1.Print();
d2.Print();
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。

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。

对于const的说明，在*右边是对指针本身进行常量化的处理，如果在*的左边，是对指针指向的内容的常量化处理
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

【面试题】
1. this指针存在哪里？

this指针的本质是函数的一个隐藏的参数，那就是函数的一个形参，结合函数栈帧的开辟与销毁可知，形参是实参的拷贝，实际上是在栈上的，因此this指针存在栈上。
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;
}
// 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;
}

第一个程序结果是正常运行，p->解引用能否成功是要看解引用本身有没有意义。

->不一定是解引用，指向的东西必须在对应的空间里面才算解引用。这里p是空指针，p指向的对象里面是不好有print，要不然就是空指针的解引用了，这里的print是A的public，类外是可以使用的，因此传个空的this指针不影响这里print函数的使用。

第二个程序运行崩溃，因为printA函数在打印时需要对A的私有变量_a进行访问，需要A类型的this指针对printA函数传参，有具体的this指针访问到a才能使得printA函数正常运行，这里this指针传空指针就不行了，造成了对空指针的解引用，所以程序崩溃了，而第一个程序没有对指针的解引用操作，且是类外可以访问的成员函数所以运行正常。

所以this指针是否可以传空指针要看具体的情况。