C++类与对象(上篇)

原创 已于 2023-02-18 00:22:52 修改
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#c++ #c语言 #visual studio code #windows

于 2023-02-17 20:13:12 首次发布
本文介绍了面向对象编程的基础知识，包括C++中的类、对象、封装概念，以及访问限定符的使用。类的引入使得结构体不仅能包含变量，还能包含函数，提高了代码的组织性。封装是面向对象的核心特性，通过访问权限控制实现数据保护。this指针在成员函数中用于访问对象的成员变量，确保了成员函数能够正确操作所属对象。文章还讨论了类的实例化、大小计算以及内存对齐规则。

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类与对象(上篇)

文章目录

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。

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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。

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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。

类是一个整体，函数定义在变量前或后不影响调用函数。

3. 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。**

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  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::

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成员变量命名规则的建议：

// 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; //由于局部优先，因此year是函数形参
 }
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;
};

4. 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(限制类外部对类内部访问，不限制类内函数对类内访问)。

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【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

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。

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。**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。

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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。

4.3 封装的意义

1. C语言数据和方法是分离的，C++的数据和方法是封装在类内的，

2. C语言数据的访问控制自由，不受限制的，C++控制访问方式，愿意让你访问共有，不愿意让你访问私有

对比以上两点，如果不进行封装，访问数据不受控制，使用者可以选择不用提供的的方法，而是使用自己的方法，这样就造成了不可控，可能对数据的访问或者操作是有问题，但是如果封装起来，使用者对数据的访问和操作是可控的，不容易造成问题。但实际在底层实现上，他们是一样的，只不过封装后，编译器多做了一些处理。

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
#include <iostream>

using namespace std;

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

int main()
{
	//类对象实例化->给对象开空间
	Date d1;

	return 0;
}
//类的定义只是对该类的样式做一个规划
//类对象实例化是实实在在的按照类的定义创造出一个对象
  1. 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

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7. 类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

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

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类的大小遵顼结构体的内存对齐原则，但观察类的大小发现类的成员变量在对象中，成员函数的并不在。

因为，每个对象成员变量不一样，需要独立存储

每个对象调用的成员函数是一样的，放在共享公共区(代码段)

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。(即使是个空类，只有分配了独立的空间才算实例化，即便该空间不用来存储数据)

7.2 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。

8. this指针

8.1 概念

前面我们知道类的成员函数是不存在对象里的，既然成员函数不存在对象里是公共的，那对象在调用成员函数如何正确的对对象的成员变量进行操作呢？

#include <iostream>

using namespace std;

class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(2023, 2, 17);//如何给不同的对象分别正确的进行初始化呢？
    
    Date d2;
	d2.Init(2022, 2, 17);
    
	return 0;
}

实际上，在调用成员函数时，有一个隐藏的形参，这个形参的传入由编译器处理了，这个形参就是this指针。

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this指针用来接收对象的地址，因此即使成员函数时公共的，调用成员函数能够正确的对对象的成员变量进行操作。

注意：this指针不能显式的在形参和实现中使用，但可以在成员函数中显式使用，但不推荐

#include <iostream>

using namespace std;

//可以在成员函数中显式使用
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;//可以在成员函数中显式使用
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

 //不可以在成员函数形参显式使用
class Date
{
public:
    //不可以在成员函数形参显式使用
	void Init(Date* this,int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

//不可以在实参中显式使用
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(&d1, 2023, 2, 17);//不可以在实参中显式使用
    
    Date d2;
	d2.Init(2022, 2, 17);
    
	return 0;
}

8.2 this指针使用的理解

#include <iostream>

using namespace std;

class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void func()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date* ptr = nullptr;

	ptr->Init(2023, 2, 17);//运行崩溃
	ptr->func(); //正常运行
	(*ptr).func(); //正常运行
	return 0;
}

以上代码中，明明都有空指针的使用，但为什么有的运行崩溃，有的正常运行？

因为能不能正常运行取决于是否对对象的变量进行访问，访问空指针指向的对象当然是不合法的，但是如果不需要访问对象的变量，这样使用就没问题，相当于是指定在Date域内调用func函数。

Date::func();
//当然这样调用也是不可以的，因为无法传递this指针

8.3 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
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