【C++】类和对象（上）

已于 2023-05-07 16:55:06 修改
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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 数据结构 开发语言
于 2023-02-12 14:44:49 首次发布
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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，分析求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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。在这里插入图片描述在这里插入图片描述

二、类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体不仅可以定义变量，还可以定义函数。比如：在数据结构中，用C语言实现栈，结构体中只能定义变量，但是以C++的方式实现，会发现struct中还可以定义函数。
代码如下：

//C语言实现栈
typedef int STDatatype;
typedef struct Stack
{
	STDatatype* a;
	int capacity; //容量
	int top; //栈顶
}ST;

//C++实现栈
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;
};

三、类的定义

class className
{
	
};

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：成员变量如果在类中定义，编译器可能会将其当成内联函数处理。
//声明和定义全部放在类体中

class personal
{
public:
	void show()
	{
		cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
	}
public:
	char* _name;
	char* _sex;
	int _age;
};
  1. 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 ::
//test.h文件
class personal
{
public:
	void show();
public:
	char* _name;
	char* _sex;
	int _age;
};

//.cpp文件
#include "test.h"
void personal::show()
{
	cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
}

成员变量命名规则的建议：

// 首先我们看看这个函数，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;
};

四、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起，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。
在这里插入图片描述
访问限定符说明：

  1. public修饰的成员在类外可以直接访问。
  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为止。
  4. 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 就结束。
  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： C++中struct和class的区别是什么？
解答： C++需要兼容C语言，所以C++中的struct可以当成结构体使用，C++中的struct还可以用来定义类，和class定义的类是一样的，区别就是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。

4.2、封装

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。例如：对于电脑，提供给用户的就只有开关机键，通过键盘输入，显示器，UBS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++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。

五、类的作用域

类定义了一个新的作用域，类的所以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 personal
{
public:
	void show();
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int  _age;
};

// 这里需要指定show是属于personal这个类域
void personal::show()
{
	cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
}

六、类的实例化

用类的类型创建对象的过程，称为类的实例化

  1. 类是对象进行描述的，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：入学是填写的学生信息表，表格就可以看成是一个类，来描述具体学生的信息。
  2. 一个类可以实例化多个对象，实例化出的对象占用实际的物理空间，存储类成员变量
  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 personal
{
public:
	void show();
private:
	char* _name; //姓名
	char* _sex;  //性别
	int  _age;   //年龄
};
void test()
{
	personal p1;
	p1._name = "jack";
	p1._age = 15;
	p1._sex = "男";
	p1.show();
}

七、类对象的大小

类中既可以有成员变量，有可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算类对象的大小呢？

对于类对象的存储方式有以下几种猜测：

  1. 对象中包含类的各个成员
    在这里插入图片描述
    缺陷：每个对象中的成员变量是不同的，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。

  2. 代码只保存一份，在对象中保存存放代码多得地址
    在这里插入图片描述

  3. 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

对于上述的三种问题，我们可以通过对下面的不同对象分别计算大小来分析：

// 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
{};

在这里插入图片描述
结论：一个类的大小，实际就是该类中 “成员变量” 的和，注意计算的时候要内存对齐（和结构体内存对齐一样）。
注意空类的大小，编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的对象。

内存对齐的规则：

  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

8.1、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。

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。
    在这里插入图片描述

8.3、C语言和C++实现Stack的对比

1、C语言实现：

typedef int STDatatype;
typedef struct Stack
{
	STDatatype* a;
	int capacity;
	int top;
}ST;
void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = (STDatatype*)malloc(sizeof(STDatatype) * 4);
	if (ps->a == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	ps->top = -1;
	ps->capacity = 4;
}

void StackDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = -1;
	ps->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* ps, STDatatype x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top + 1 == ps->capacity)
	{
		STDatatype* tmp = (STDatatype*)realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDatatype));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity *= 2;
	}
	ps->top++;
	ps->a[ps->top] = x;
}

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	ps->top--;
}

STDatatype StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top];
}

bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == -1;
}

int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top + 1;
}
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。

2、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哪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语言中需用户自己维护。

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