C++ 类和对象（上）

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，将一件事情分成不同的对象，靠对象之间的交互完成。 

总共有四个对象：人、衣服、洗衣粉、洗衣机。
整个洗衣服的过程：人将衣服放进洗衣机，倒入洗衣粉，启动洗衣机，洗衣机就会完成洗衣过程并且甩干。
整个过程主要是：人、衣服、洗衣粉、洗衣机四个对象之间交互完成的，人不需要关心洗衣机具体是如何洗衣服的，是如何甩干的。

对象和对象之间的关系和交互。
现实世界和对象映射到虚拟计算机系统。

2.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，也可以定义函数。用C语言实现的栈，现在用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 (_array == nullptr)
		{
			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;//成员变量  是一种声明
	size_t _capacity;//声明和定义的区别是开不开辟空间
	size_t _size;
};

int main()
{
	Stack s;//类的实例化，结构体升级为类
	//sizeof(s)：大小只算成员变量，不算成员函数，对象中只存储成员变量，
	//不存储成员函数（成员函数存储在公共区域）。
	s.Init(10);
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	cout << s.Top() << endl;
	s.Destroy();
	return 0;
}

上述结构体的定义，在C++中更喜欢用class代替。

3.类的定义

class className
{
    //类体：由成员函数和成员变量组成

};//注意分号

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。
类里面定义的函数就是inline，但长的函数不会，决定权还是在编译器。

//声明和定义都放在类体中
class Person
{
public:
	void showInfo()
	{
		cout << _name << " " << _sex << " " << _age << endl;
	}
public:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

2.类声明放在.h文件中，成员函数放在.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：用类将对象的属性和方法结合在一块，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
【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。

4.2封装

【面试题】
面向对象的三大特性：封装、继承、多态。
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豆，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。

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。

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 showInfo();
public:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

//这里需要指定showInfo是属于Person这个类域
void Person::showInfo()
{
	cout << _name << " " << _sex << " " << _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。

int main()
{
	Person._age = 100;//编译失败，语法错误"."，并没有开辟空间
	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。
       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 Person
{
public:
	void showInfo();
public:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};
void Test()
{
	Person man;
	man._name = "Tom";
	man._age = 20;
	man._sex = "男";
	man.showInfo();
}

7.类对象模型

7.1如何计算类对象的大小

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _a << endl;
	}

public:
	int _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类对象的存储方式猜测

• 对象中包含类的各个成员

缺陷：每个对象中成员函数是不同的，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，每个对象都会保存一份代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？

• 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。

对于上述三种存储方式，计算到底是按照哪种方式存储的？
我们通过不同对象获取大小来分析。

//类中有成员函数和成员变量
class A1
{
public:
	void fun()
	{}
public:
	int _a;
};
//类中只有成员函数
class A2
{
public:
	void fun()
	{}
};
//空类
class A3
{
};
int main()
{
	cout << sizeof(A1) << endl;
	cout << sizeof(A2) << endl;
	cout << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

运行结果：

结论：一个类的大小，实际就是该类中“成员函数”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；为了占位，表示对象存在，不储存有效数据。

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?
进行内存对齐的原因主要有以下几点：

1. 硬件要求：许多处理器和硬件架构对于特定数据类型的访问要求内存地址是对齐的。如果数据未对齐，可能会导致性能下降甚至访问错误。
2. 提高访问速度：内存对齐可以使得数据在内存中的布局更加紧凑和连续，减少了因为数据跨越多个内存页或缓存行而导致的额外访问时间。当数据对齐时，处理器可以更加高效地从内存中加载数据，而不需要额外的处理步骤，从而提高内存访问的效率。
3. 优化存储空间：对齐数据可以减少内存碎片的产生，提高内存的利用率。在结构体或对象中，对齐字段可以使得整个结构体的大小更加紧凑，避免不必要的填充，节省内存空间。
4. 平台兼容性：对齐数据可以增加代码的可移植性和兼容性。不同的硬件平台可能对于内存访问有不同的要求，内存对齐可以帮助确保代码在各种平台上都能正常运行。

综上所述，结构体对齐和内存对齐是编译器在生成代码时考虑的重要因素，它们对于提高程序的性能和兼容性具有至关重要的作用。在编写程序时，了解并合理利用这些对齐规则，可以帮助我们编写出更加高效和可移植的代码。

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?

要让结构体按照指定的对齐参数进行对齐，可以使用编译器提供的对齐指令，如#pragma pack。关于是否能按照3、4、5即任意字节对齐，这取决于编译器和平台的具体实现，但一般来说，编译器通常支持以2的幂次方（如1、2、4、8、16等）为单位的对齐，不过有些编译器也允许设置为其他特定的对齐值。

以下是如何使用#pragma pack指令来设置结构体的对齐参数的示例：

#include <stdio.h>

// 设置当前对齐字节数为4
#pragma pack(push, 4)
struct S1 {
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack(pop) // 恢复默认对齐字节数

// 设置当前对齐字节数为1（即紧凑对齐，不进行填充）
#pragma pack(push, 1)
struct S2 {
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack(pop) // 恢复默认对齐字节数

int main() {
    printf("Size of S1: %lu\n", sizeof(struct S1)); // 输出：Size of S1: 12
    printf("Size of S2: %lu\n", sizeof(struct S2)); // 输出：Size of S2: 6（取决于编译器和平台，可能不同）
    return 0;
}

在这个例子中，#pragma pack(push, n)将当前的对齐字节数压入栈顶，并设置新的对齐字节数为n。#pragma pack(pop)则会弹出栈顶的对齐字节数，并恢复为之前的对齐设置。这样，你就可以在特定的代码段内设置不同的对齐参数。

然而，需要注意的是，不是所有的对齐值都是有效的或受支持的。一些编译器可能只支持以2的幂次方为单位的对齐值，而其他编译器可能允许更灵活的对齐设置。此外，即使编译器支持特定的对齐值，平台硬件也可能有自己的对齐要求，因此在实际应用中需要综合考虑编译器、平台和硬件的限制。

对于是否支持按照3、4、5等任意字节对齐，需要查阅所使用的编译器的文档来获取更准确的信息。如果编译器不支持想要的对齐值，可能需要调整结构体的成员布局或考虑使用其他方法来实现所需的对齐。

总的来说，使用#pragma pack指令是一种灵活且有效的方式来控制结构体的对齐参数。但是，在使用时需要谨慎考虑编译器、平台和硬件的限制，以确保代码的正确性和性能。

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

什么是大小端

大小端（Endianness）是指在存储和传输数据时字节序列的顺序。在计算机科学和技术中，这是一个关于多字节数据在内存中如何存储的重要概念。具体来说：

• 大端（Big-Endian）：高字节存储在低地址，低字节存储在高地址。这种存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理，地址由小向大增加，而数据从高位往低位放，符合人类的阅读习惯。
• 小端（Little-Endian）：低字节存储在低地址，高字节存储在高地址。这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低。

如何测试某台机器是大端还是小端

测试某台机器是大端还是小端，可以通过多种方法实现，以下提供几种常见的测试方法：

• 方法一：利用指针

#include <stdio.h>

int main() {
    int x = 0x12345678;
    char *y = (char*)&x;
    if (*y == 0x12) {
        printf("Big-Endian\n");
    } else if (*y == 0x78) {
        printf("Little-Endian\n");
    }
    return 0;
}

运行结果（每台计算机结果不一样）： 

在这个例子中，如果*y的值是0x12，说明高字节在低地址，即大端模式；如果*y的值是0x34，说明低字节在低地址，即小端模式。

• 方法二：利用联合体

  #include <stdio.h>
  
  union {
      short a;
      char b;
  } test_union;
  
  int main() {
      test_union.a = 0x1234;
      if (test_union.b == 0x12) {
          printf("Big-Endian\n");
      } else if (test_union.b == 0x34) {
          printf("Little-Endian\n");
      }
      return 0;
  }

  联合体的所有成员都是从低地址开始存放的，因此可以通过检查联合体的char成员的值来确定机器的字节序。

• 方法三：利用系统函数（在某些平台上可用）

  #include <stdio.h>
  #include <arpa/inet.h>
  
  int main() {
      unsigned short x = 0x0100;
      if (htons(x) == 0x0100) {
          printf("Big-Endian\n");
      } else {
          printf("Little-Endian\n");
      }
      return 0;
  }

  例如，在Linux下可以使用htons函数（注意：这个函数通常用于网络字节序的转换，但在这里可以作为一个测试手段）：

但是需要注意的是，htons函数的行为可能依赖于具体的系统和库实现，因此这种方法并不是所有平台上都适用。

考虑大小端的场景

在实际应用中，大小端问题在跨平台数据传输、文件解析和网络通信等方面尤为重要。以下是一些需要考虑大小端的场景：

• 跨平台数据传输：当数据在不同的硬件平台上传输时，如果两个平台的字节序不同，就需要进行数据转换以确保数据的正确性。
• 文件存储与读取：如果将数据以二进制形式写入文件并在不同的平台上读取，也需要考虑字节序的问题。为了避免兼容性问题，可以在写入文件时采用固定的字节序（如大端或小端），并在读取时进行相应的转换。
• 网络通信：网络协议通常规定了数据的传输顺序（如网络字节序通常是大端）。因此，在编写网络程序时需要将主机字节序转换为网络字节序或将收到的网络字节序转换为主机字节序。

总之，了解和正确处理大小端问题是编写健壮跨平台程序的关键。

8.this指针

8.1this指针的引出

观察Date类

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(2024, 11, 27);
	d2.Init(2024, 12, 27);
	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

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，不能在形参和实参中显示传递。
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。
5.静态成员函数没有this指针，因为它们不与任何特定的对象实例相关联。

【面试题】

1.this指针存在哪里？

• 当一个对象调用其成员函数时，编译器会自动将对象的地址作为第一个隐含参数传递给该成员函数，这个参数就是this指针。
• this指针并不是对象本身的一部分，它不会影响对象的大小（即sizeof(对象)的结果不会包含this指针的大小）。
• 在大多数实现中，this指针通常存储在调用函数的栈帧（stack frame）中，作为函数参数的一部分。然而，具体的存储位置可能因编译器和平台的不同而有所差异。

2.this指针可以为空吗？

关于C++中this指针是否可以为空的问题，存在不同的观点，但通常可以从以下几个方面来理解：

理论上可以为空

从指针的基本性质来看，任何指针变量在未被初始化之前都是不确定的，也就是说它可能指向任何内存地址，包括空地址（NULL或nullptr）。因此，从理论上讲，this指针在某种情况下也可以为空。然而，在C++的类成员函数中，this指针通常是由编译器自动传递的，它指向调用成员函数的对象实例。在正常情况下，当对象调用其成员函数时，this指针不可能为空，因为对象本身必须存在才能调用其成员函数。

实践中不可为空

然而，在实践中，我们几乎不会遇到this指针为空的情况。这是因为：

1. 对象存在性：当对象调用其成员函数时，该对象必须已经存在。因此，编译器在传递this指针时，会确保它指向一个有效的对象实例。
2. 编译器检查：现代C++编译器通常会在编译时进行各种检查，以确保程序的安全性。如果编译器检测到this指针可能为空的情况（例如，通过空指针调用成员函数），它通常会发出警告或错误消息。
3. 未定义行为：如果通过空指针调用成员函数（即this指针为空），将导致未定义行为。这可能会导致程序崩溃、数据损坏或其他不可预测的结果。因此，程序员应该始终确保在调用成员函数时，this指针指向一个有效的对象实例。

特殊情况

尽管在正常情况下this指针不可能为空，但在某些特殊情况下（例如，通过某种方式绕过编译器的检查），可能会出现this指针为空的情况。然而，这些情况通常是不安全的，并且违反了C++的基本规则和最佳实践。

结论

综上所述，从理论上讲，this指针可以为空，但在实践中我们几乎不会遇到这种情况。在正常情况下，当对象调用其成员函数时，this指针会指向一个有效的对象实例。因此，程序员应该始终确保在调用成员函数时，this指针指向一个有效的对象实例，以避免未定义行为和潜在的安全问题。

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();
	return 0;
}

答案是正常运行。因为p调用Print()，不回发生解引用，因为Print()的地址不在对象中。p会作为实参传递给this指针。this指针是空的，但是函数内部没有对this指针解引用。会在公共代码区找Print()的地址。 

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

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

答案是运行崩溃。因为PrintA()函数内部访问成员变量_a，this->_a，对空指针解引用导致运行崩溃。A*p=nullptr，并没有实例化类，没有占用实际的物理空间。

8.3C语言和C++的对比

C语言：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。 

C++：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。C++中参数是编译器维护的，C语言中需要用户自己维护。