C++初阶—类与对象(上篇)

第一章：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。

第二章：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。

//C++兼容C语言，结构用法可以继续使用
//同时struct也升级成了类
struct Stack { //C++的类
	//成员函数（类的方法）
	void Init() { //可以不用参数
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

	void Push(int x) {}

	//成员变量（类的属性）
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

//C语言的函数
void StackInit(struct Stack* ps) {} 
void StackPush(struct Stack* ps, int x) {}

int main() {
	struct Stack st1;//C语言方式定义结构体
	StackInit(&st1);
	StackPush(&st1, 1);

	Stack st2;//C++方式定义结构体（C语言不允许该方法）这里是类
	st2.Init();
	st2.Push(1);
}

上面结构体的定义， 在 C++ 中更喜欢用 class 来代替。

第三章：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。注意：后续为了方便演示使用方式一定义类，在工作中尽量使用第二种。

成员变量命名规则的建议：

// 下面的函数，形参和成员变量同名，很难区分
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;
};
// 其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行

第四章：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)

class Stack { 
public:
	//成员函数（类的方法）
	void Init() { //可以不用参数
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

	void Push(int x) {
		if (top == capacity) {
			int newcapacity = capacity == 0 ? 4 : capacity * 2;
			a = (int*)realloc(a, sizeof(int) * newcapacity);
			capacity = newcapacity;
		}
		a[top++] = x;
	}

	int Top() {
		return a[top - 1];
	}

private: //访问限定符（私有）
	//成员变量（类的属性）
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

int main() {
	Stack st;
	st.Init();
	st.Push(1);
	//cout << st.a[st.top - 1] << endl;//访问成员变量时，不确定top指向哪
	cout << st.Top() << endl;
}

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。

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。

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。

第五章：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;
}

第六章：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;
}

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。

class Date {
public:
	void Init(int year) {
		_year = year;
	}

private:
	int _year;//声明
};

int main() {
	//Date._year;
	//Date::_year;
	//上方访问方法错误

    Date d1;
	d1.Init(2024);
}

第七章：类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

class Date {
public:
	void Init(int year) {
		_year = year;
	}

private:
	int _year;//声明
};

int main() {
	Date d1;
	d1.Init(2024);

	cout << sizeof(Date) << endl; //4
	cout << sizeof(d1) << endl;//4
	//说明函数没有占用空间
	//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？
	//只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
}

7.2 类对象的存储方式猜测

1. 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？

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

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？

通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

class Date {
public:
	void Print() {
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


// 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 << sizeof(Date) << endl;//12 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
	Date d1;
	Date d2;
	
	//调用的两个函数地址是一样的
	d1.Print();
	d2.Print();

	cout << sizeof(A1) << endl;//4
	//分配1byte，不存储数据，只是占位，表示对象存在过
	cout << sizeof(A2) << endl;//1
	cout << sizeof(A3) << endl;//1
	//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。
}

7.3 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。

第八章：this指针

8.1 this指针的引出

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。

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

【面试题】 

1. this指针存在哪里？

this是一个形参，一般存在栈帧里面。vs一般会用exc寄存器直接传递

2. this指针可以为空吗？

可以

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();//正常运行
	//1.虽然p是指向A这个类的指针，但是成员函数地址不储存在对象里，而是在公共代码段。
	//  所以不会去A这个类找函数地址（并未对P解引用）
    //2.传递指针，把p传给了函数的this指针
	
    //OpenAI
	//虽然没有显式地创建 A 类的对象，但是使用了一个指向 A 类的空指针 p。
	//在C++中，成员函数可以被调用，即使没有显式地实例化一个类对象，
	//因为非静态成员函数在编译时会被视为与类关联的函数，而不是特定的实例。这种行为称为静态绑定或静态调用。
	//具体来说，当你调用 p->Print(); 时，编译器并不需要 p 指向一个有效的 A 对象。这是因为：
	//静态调用机制：非静态成员函数在编译时就已经确定了其地址和调用方式，与具体的类对象无关。
	//因此，即使 p 是空指针，编译器也能够通过 p 访问到 Print 函数的地址。
    
    //DeepSeek
    //1.成员函数的调用机制
    //成员函数在编译时会被处理为普通函数，并隐式添加this指针作为第一个参数。
    //例如，p->Print()会被转换为A::Print(p)。此时，this指针即为nullptr。
    //2.未访问成员变量
    //Print()函数仅输出字符串，未访问类的成员变量（如_a）。
    //因此，函数内部无需通过this指针解引用对象内存。即使this为nullptr，函数代码仍可正常执行。
    //3.未定义行为（UB）的特性
    //虽然代码能运行，但这属于未定义行为（Undefined Behavior）。
    //未定义行为不保证一定崩溃，可能表现为"看似正常"，但结果不可预测。
    //若Print()中访问了_a，则会因解引用空指针导致崩溃。
    //关键点总结：
    //能运行的原因：函数未使用成员变量，未触发空指针解引用。
    //本质问题：这是未定义行为，应严格避免通过空指针调用成员函数。
    //安全性建议：即使函数不访问成员变量，也应确保对象有效后再调用其方法。

	(*p).Print();//正常运行
	//跟上方一样，只是换了一种形式。因为成员函数没有在类里面，其实没有解引用
	return 0;
}

2.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() {//隐示的传递this指针
		cout << _a << endl;//通过this访问_a，即this->_a
	}
private:
	int _a;
};
int main() {
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();//运行崩溃
	//在上方代码中，虽然 p 是一个空指针（nullptr），但在成员函数 PrintA() 内部，编译器会隐式地传递一个 this 指针，
	//该指针指向当前的 A 类对象。但是，由于 p 是空指针，实际上并没有有效的 A 对象来关联这个 this 指针。

	//具体来说，this 指针在非静态成员函数中始终是一个有效的指针，指向调用该函数的对象。
	//然而，当你使用空指针 p 来调用 p->PrintA(); 时，实际上是在尝试通过空指针访问成员函数，这是未定义行为。
	//在这种情况下，this 指针被解释为一个空指针，因为没有有效的对象与之关联。

	//总结来说，虽然 this 指针在成员函数内部是有效的，但它的有效性取决于调用该函数的对象是否存在。
	//在你的例子中，由于 p 是空指针，因此 this 指针也会被解释为空指针。


    //DeepSeek
    //在C++中，这个示例崩溃的根本原因是成员函数中访问了类的成员变量，而对象指针是空指针。
    //关键机制解析：
    //1.成员函数的隐式this指针
    //成员函数 PrintA() 会被编译器转换为普通函数形式，并隐式添加 this 指针参数，
    //当调用 p->PrintA() 时，等价于 A::PrintA(p)，此时 this 指针的值为 nullptr。
    //2.成员变量访问的本质
    //成员变量 _a 的访问实际上是通过 this 指针完成的。代码中的 _a 会被编译器转换为：this->_a，
    //当 this 是 nullptr 时，this->_a 等价于 *(nullptr + offset_of_a)，
    //即尝试访问空指针指向的内存，直接触发未定义行为（UB）。
    //崩溃的直接原因：
    //空指针解引用：
    //访问 _a 需要解引用 this 指针，而 this 是 nullptr，导致访问非法内存地址。
    //现代操作系统会强制终止此类非法操作，表现为程序崩溃（如段错误）。

	return 0;
}

8.3. C语言和C++实现Stack的对比

1. C语言实现

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。

2. C++实现

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。

作业

1. 在C++中的结构体是否可以有成员函数？( )

A.不可以，结构类型不支持成员函数
B.可以有
C.不可以，只有类允许有成员函数

答案：B
A.C语言结构体不支持成员函数，但C++结构体支持，其class与struct本质没有区别，唯一区别  在于默认时class的访问属性为私有，struct为公有
B.正确
C.C++结构体也支持成员函数

2. 有一个如下的结构体：

struct A{
 long a1;
 short a2;
 int a3;
 int *a4;
};
请问在64位编译器下用sizeof(struct A)计算出的大小是多少？( )
A.24
B.28
C.16
D.18

答案：A
A.首先明确，64位下指针大小为8个字节，这是关键，a1占4字节，a2两字节，由于a3占4字节，  a2需要补齐2个字节，对于a1,a2,a3一共开辟了12个字节，由于a4占8个字节，所以a4之后要  补齐4个字节才能是8的整数倍，最后总和为24字节，刚好也是8的倍数，所以最终结构体大小为  24字节
B.错误
C.如果系统是32位，则结构体大小为16
D.错误

3. 下面描述错误的是( )

A.this指针是非静态成员函数的隐含形参.
B.每个非静态的成员函数都有一个this指针.
C.this指针是存在对象里面的.
D.this指针可以为空

答案：C
A.静态成员函数没有this指针，只有非静态成员函数才有，且为隐藏指针
B.非静态成员函数的第一个参数就是隐藏的this指针
C.this指针在非静态的成员函数里面，对象不存在，故错误
D.单纯的对this赋空是不可以的，不过可以强转直接赋空，不过一般不进行这样的操作

4. 下列有关this指针使用方法的叙述正确的是（ ）

A.保证基类保护成员在子类中可以被访问
B.保证基类私有成员在子类中可以被访问
C.保证基类公有成员在子类中可以被访问
D.保证每个对象拥有自己的数据成员，但共享处理这些数据的代码

答案：D
A.基类保护成员在子类可以直接被访问，跟this无关
B.基类私有成员在子类中不能被访问，跟this无关
C.基类共有成员在子类和对象外都可以直接访问，跟this无关
D.this指针代表了当前对象，能够区分每个对象的自身数据，故正确