C++学习笔记（四）----【类与对象】（上）

和尚爱梳头

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分类专栏： C++学习笔记文章标签： c++ 学习笔记

于 2024-09-24 22:09:23 首次发布

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1 类与对象（上）

【知识预告】

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
类的作用域
类的实例化
类的对象大小的计算
类成员函数的this指针

1.1 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。

1.2 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。

// 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    // Struct是类名，可以用类名直接创建变量
{
	// 成员函数
	void Init()
	{
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

	void Push(int x)
	{
		// ...
	}

	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

void StackInit(struct Stack* ps)
{
	// ...
}

void StackPush(struct Stack* ps, int x)
{
	// ...
}

int main()
{
	struct Stack st1;
	StackInit(&st1);
	StackPush(&st1, 1);
	StackPush(&st1, 2);

	Stack st2;
	st2.Init();
	st2.Push(1);
	st2.Push(2);
	st2.Push(3);

	return 0;
}

1.3 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。

1.3.1 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。
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::

1.3.2 类的定义和声明分离：

先在头文件里面声明

class Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init();
	void Push(int x);
	int Top();

private:
	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

然后在.cpp文件里面定义
函数前面要加 Stack::

void Stack::Init()
{
	a = nullptr;
	top = capacity = 0;
}

void Stack::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 Stack::Top()
{
	return a[top - 1];
}

成员变量命名规则的建议：

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

// 成员变量前最好加一个 _ 以示区分。
// 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。
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d;
	d.Init(2024, 9, 24);
	return 0;
}

1.4 类的访问限定符及封装

1.4.1 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。

访问限定符有三类：public（公有）、protected（保护）、private（私有）

【访问限定符说明】

public修饰的成员在类外可以直接被访问
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)
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)

struct Stack
{
	// 成员函数
	void Init()
	{
		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;
	}

	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

int main()
{
	Stack st;
	st.Init();
	st.Push(1);
	st.Push(2);
	st.Push(3);
	st.Push(4);

	// 如果用户想访问栈顶的元素
	cout << st.a[st.top] << endl;  // 输出的是随机值
	// 用户不知道，top表示的是栈顶的元素，还是栈顶元素的前一个值

	// 正确的访问是：
	cout << st.a[st.top - 1] << endl;
	// 必须去看源码，top具体表示什么
	// 这是C语言的缺陷

	return 0;
}

为了避免上述情况，C++引入了访问限定符

class Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init()
	{
		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:
	// 成员变量，一般都是私有
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

int main()
{
	Stack st;
	st.Init();
	st.Push(1);
	st.Push(2);
	st.Push(3);
	st.Push(4);

	cout << st.Top() << endl;

	return 0;
}

这里插入一个面试题【C++中struct和class的区别是什么？】

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，后面微博在做介绍。

1.4.2 封装

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。

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。

1.5 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。

1.6 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；
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。

// 类在内存中不占空间
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;
	// 这里是声明，不是定义
	// 声明不占空间，定义占空间
};

int main()
{
	// 实例化对象，定义开空间
	Date d1;
	d1.Init(2024, 9, 24);
	d1.Print();
	d1._year;

	Date d2;
	d2.Init(2024, 9, 24);
	d2.Print();
	// 不是去实例化对象里找函数，是去公共代码区找
	d2._year;

	cout << sizeof(Date) << endl;  // 12
	cout << sizeof(d1) << endl;    // 12
	// 每个实例化对象，只存储成员变量

	return 0;
}

分析下面的对象，计算它们的大小：

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 
{
public:
	void f1() {}
private:
	int _a;
	char _ch;
};

// 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) << endl;   // 8

	// 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

	return 0;
}

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。

1.7 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。
1. 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。
2. 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。

1.8 this指针

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。

class Date
{
public:
	// this在实参和形参位置不能显示写
	// 但是在类里面可以显示的用
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		cout << this << endl;

		//this->_year = year;
		//this->_month = month;
		//this->_day = day;
		
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	void Print()
	{
		cout << this << endl;

		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}

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

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(2024, 9, 24);
	d1.Print();

	Date d2;
	d2.Init(2024, 9, 24);
	d2.Print();

	return 0;
}

1.8.1 this指针的特性

this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
只能在“成员函数”的内部使用
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。
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

this指针相关的例题：

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();  // 因为函数没有存在类和对象里面，不存在空指针解引用的问题
	return 0;
}

成员函数的地址不存在类和对象里面，存在公共代码区，编译器很聪明，知道类和对象里面没有，就不会去解引用

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 Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	(*p).Print();
	return 0;
}

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

int main()
{
	A* p = nullptr;
	(*p).Print();

	p->_a;  // 编译器做了优化，不会崩
	p->_a = 1;   // 这里会崩
	return 0;
}

3.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;   // this->a会崩
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();
	return 0;
}