C++面向对象编程：类、访问控制与this指针详解-优快云博客

文章目录

面向过程和面向对象初步认识
类的引入
类的定义
类的访问限定符及封装
- 访问限定符
- 封装
类的作用域
类的实例化
类对象模型
- 引出类对象的大小
- 类对象存储方式
this指针
- this指针的特性

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。
面向过程
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。

先了解这种概念就好，不是一两句话就能理解的。

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;
}

而在C++中类更喜欢用class替代struct

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：

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。

定义和实现都在类内实现

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::

定义实现分离

推荐第二种，定义实现分离，可读性强。

成员变量名建议在变量名前后加_，不然某些场景的可读性较差。

class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 4, int day = 19)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

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。**这样既能确保核心部分（一般为成员变量）不被外界直接修改，又能提供功能接口给外部用户使用。

访问限定符说明：

public（公有）修饰的成员在类外可以直接被访问。
protected（保护）和private（私有）修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的)。
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

封装

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。
封装演示
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。

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。（与命名空间类似）

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;
}

类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

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。
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。

类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出大house，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。

Person类就是一张设计图纸，而实例化的man（对象）才是大house，只有实例化出对象，才可能去使用类里定义的成员变量或成员函数。
类对象实例化

类对象模型

引出类对象的大小

C语言里结构体的大小利用内存对齐规则便能计算出来。那C++中计算类对象的大小呢？

结构体内存对齐规则：

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（所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小）的整数倍。
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。

C++的类与C语言结构体最大的区别就是类中可以实现函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？
要想搞清楚这个问题，我们先了解一下C/C++中程序区域内存的划分。
内存区域划分
C/C++程序内存分配的⼏个区域：

栈区（stack）：在执⾏函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执⾏结束时
这些存储单元⾃动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很⾼，但是分配的内
存容量有限。栈区主要存放运⾏函数⽽分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
堆区（heap）：⼀般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。分配⽅
式类似于链表。
数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码。

类对象存储方式

上面我们将类对象比作是一栋别墅，对象包含了成员变量和成员函数，成员变量理应来说就是家庭成员，是一个个独立的个体，而成员函数理应是别墅里面的游泳池或篮球场，作为公共设施为家庭成员（成员变量）提供服务。那么实际是如何呢？

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

int main()
{
	A a;
	cout << sizeof(a) << endl;
	return 0;
}

类对象大小
可以看到类A中只有一个类型为int的成员变量_a,和一个PrintA函数，计算发现a对象的大小为4，刚好为int的大小，基本符合我们的猜想。

结合C/C++中程序区域内存的划分，可知内存中是有存放函数的公共代码段的。

实际存放方式为：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。（成员函数不在对象内）
在这里插入图片描述
通过以下例子说明

// 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()
{
	A1 a1;
	A2 a2;
	A3 a3;
	cout << sizeof(a1) << endl;
	cout << sizeof(a2) << endl;
	cout << sizeof(a3) << endl;
	return 0;
}

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”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。

this指针

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;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.Init(2022, 1, 11);
	d2.Init(2022, 1, 12);
	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

对于上述的日期类，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。
实际传参

this指针
我们显示去写this，发现确实有这个参数，并且指向的就是调用对象的成员变量和成员函数。但有必要去显示的写吗？这种重复死板的操作交给编译器去完成就好了，我们了解即可。
this实际传参

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。（不能修改this指针）
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。

小测试：

class A
{
public:
	void PrintA()
	{

		cout << _a << endl;
	}
	void Show()
	{

		cout << "Show()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Show();       //第一句代码
	//p->PrintA();     //第二句代码
}

想想上面两句代码分别运行时会有什么效果，是正常还是崩溃呢？

第一句代码
A类的指针p是一个空指针，空指针解引用按之前来说不是妥妥崩吗？但这里却是正常运行。
这里调用Show函数并不会去解引用p，因为成员函数是不在类里面的啊，成员函数可是在代码段的，这就不会导致空指针解引用导致报错了。

从汇编的角度也可以看到调用Show就是一个函数调用，也就是这里的call指令，它是直接定位函数在哪个类里面的函数，然后直接call它的地址（也就是函数调用）,并不涉及指针p解引用的操作。
第二句代码
该句代码会崩溃，但并不是在函数调用这一块，函数调用与第一句代码一样。崩是崩在PrintA函数里面对成员变量_a进行访问，这就会涉及到指针的解引用，就会导致出错。