C++_类和对象（上）

已于 2025-06-07 19:26:49 修改
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分类专栏： 小白的C++之路_初阶 文章标签： c++
于 2025-04-05 20:14:19 首次发布
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【本节目标】

  • 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

引言： 在c++中就引入了类的概念，也可以说是对c语言的一次重构，在保留c语言特性的基础上，对struct进行了升级，不仅有成员变量的概念以及引进了成员函数的概念，并且做出了权限分区的操作。最重要的是区分开了面向过程和面向对象的特性，使得操作过程得以封装。

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。

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。

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。
  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::。

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。

在这里插入图片描述

【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)

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，后序给大家介绍。

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。
  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()
{
// 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
 	Person._age = 100;   
	return 0;
}

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。

  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。

7. 类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

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

问题：类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？

7.2 类对象的存储方式

在这里插入图片描述

我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

// 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
 {};

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。

【面试题】

  1. 结构体怎么对齐？ 为什么要进行内存对齐？
  2. 如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐？能否按照3、4、5即任意字节对齐？
  3. 什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景

8. 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;     
	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

【面试题】

  1. this指针存在哪里？
  2. this指针可以为空吗？
// 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();
 	return 0;
}

//答案：C
 
 // 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 PrintA() 
    {
 		cout<<_a<<endl;
    }
private:
 	int _a;
};
 
int main()
{
	A* p = nullptr;
 	p->PrintA();
 	return 0;
}

//答案：B

类指针访问成员函数和类对象调用成员函数还是有一点区别的，类对象调用成员函数会隐式传递类地址，类指针访问成员函数会隐式传递类指针指向的值。

关于类指针访问成员函数总结：

当 p 为空指针时，对其进行解引用并调用成员函数 (*p).Print() 是非常危险的未定义行为。虽然类的成员函数代码存于公共代码区，且此函数可能未显式关联类成员，但成员函数调用时会隐式传递 this 指针，此时 this 指针为 nullptr。

在某些情况下程序看似能正常运行，不过这只是巧合，不同编译器和运行环境对 this 指针为 nullptr 的处理方式存在差异，可能会导致程序崩溃或产生不可预期的结果。因此，这种做法严重违反编程规范，绝不可取。在实际编程中，使用指针调用成员函数前，务必先检查指针是否为 nullptr，以确保代码的安全性和稳定性。

8.3 C和C++实现stack的对比

  1. C实现

之前文章里详细写过，这里不做过多赘述。

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。

  1. C++实现
using namespace std;

class Stack
{
public:
	//初始化
	void STInit()
	{
		_arr = NULL;
		_Top = _Capacity = 0;
	}

	//检查容量
	void CheckCapacity()
	{
		if (_Top == _Capacity)
		{
			int newCapacity = _Capacity == 0 ? 4 : _Capacity * 2;
			int* tmp = (int*)realloc(_arr, sizeof(int) * newCapacity);
			if (tmp == NULL)
			{
				perror("malloc：");
				return;
			}
			_arr = tmp;
			_Capacity = newCapacity;
		}
	}

	//入栈
	void STPush(int data)
	{
		CheckCapacity();
		_arr[_Top++] = data;
	}

	//检查是否为空
	bool STEmpty()
	{
		return _Top == 0;
	}

	//出栈
	void STPop()
	{
		assert(!STEmpty());
		_Top--;
	}

	//返回栈顶元素
	int STTop()
	{
		assert(!STEmpty());
		return _arr[_Top - 1];
	}

	//依次输出栈元素
	void STPrint()
	{
		while (!STEmpty())
		{
			cout << STTop() << " ";
			STPop();
		}
		cout << endl;
	}

	//销毁
	void STDestroy()
	{
		free(_arr);
		_Top = _Capacity = 0;
	}

private:
	int* _arr;
	int _Top;
	int _Capacity;
};

int main()
{
	Stack st;
	st.STInit();
	st.STPush(5);
	st.STPush(4);
	st.STPush(3);
	st.STPush(2);
	st.STPush(1);
	st.STPrint();
	st.STDestroy();
}

输出结果：

在这里插入图片描述

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。

本章完~

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