【C++】2：类和对象（上）

原创 已于 2025-11-25 13:48:54 修改 · 965 阅读 · 23 ·
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于 2025-09-07 11:16:41 首次发布

目录

一、类的定义

1.1 类定义格式

1.2 访问限定符

1.3 类域

二、实例化

2.1 实例化概念

2.2 对象大小

三、this指针

四、C++和C语言实现Stack对比

4.1 C语言实现Stack

4.2 C++实现Stack

一、类

1.1 类定义格式

类定义格式如下：

class Stack

{

        //成员变量

        int* _a;

        int _top;

        int _capacity;

        //成员方法

        void Push(int x)

        {

                .....

        }

}；

  • class为定义类的关键字，Stack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。
  • 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识，如成员变量前面或者后面加_ 或者m开头，注意C++中这个并不是强制的，只是⼀些惯例，具体看公司的要求。

如下所示：

class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
}
private:
    // 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量
    // 会加⼀个特殊标识，如_ 或者 m开头
    int _year; 
    int _month;
    int _day;
};
  • C++中struct也可以定义类，C++兼容C中struct的⽤法，同时struct升级成了类，明显的变化是 struct中可以定义函数，⼀般情况下我们还是推荐⽤class定义类。

如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
// C++升级struct升级成了类
// 1、类⾥⾯可以定义函数
// 2、struct名称就可以代表类型
// C++兼容C中struct的⽤法
typedef struct ListNodeC
{
    struct ListNodeC* next;
    int val;
}LTNode;
// 不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
struct ListNodeCPP
{
    void Init(int x)
    {
        next = nullptr;
        val = x;
    }
    ListNodeCPP* next;
    int val;
};

1.2 访问限定符

  • C++⼀种实现封装的方式，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。
  • 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，protected和private是⼀样的，以后继承章节才能体现出他们的区别
  • 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定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private，struct默认为public。
  • ⼀般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别⼈使⽤的成员函数会放为public。

1.3 类域

  • 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。
  • 类域影响的是编译的查找规则，下面程序中Init如果不指定类域Stack，那么编译器就把Init当成全局函数，那么编译时，找不到array等成员的声明/定义在哪⾥，就会报错。指定类域Stack，就是知道Init是成员函数，当前域找不到的array等成员，就会到类域中去查找。

如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:
    // 成员函数
    void Init(int n = 4);
private:
    // 成员变量
    int* array;
    size_t capacity;
    size_t top;
};
// 声明和定义分离，需要指定类域
void Stack::Init(int n)
{
    array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
    if (nullptr == array)
    {
        perror("malloc申请空间失败");
        return;
    }
    capacity = n;
    top = 0;
}
int main()
{
    Stack st;
    st.Init();
    return 0;
}

二、实例化

2.1 实例化概念

  • ⽤类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。
  • 类是对象进行⼀种抽象描述，是⼀个模型⼀样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，用类实例化出对象时，才会分配空间。
  • 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。打个比方：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，设计图规划了有多少个房间，房间大小功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住人，用设计图修建出房子，房子才能住⼈。同样类就像设计图⼀样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据。

代码如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
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:
    // 这⾥只是声明，没有开空间
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
int main()
{
    // Date类实例化出对象d1和d2
    Date d1;
    Date d2;
    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();
    d2.Init(2024, 7, 5);
    d2.Print();
    return 0;
}

2.2 对象大小

分析⼀下类对象中哪些成员呢？类实例化出的每个对象，都有独⽴的数据空间，所以对象中肯定包含成员变量，那么成员函数是否包含呢？首先函数被编译后是⼀段指令，对象中没办法存储，这些指令存储在⼀个单独的区域(代码段)，那么对象中⾮要存储的话，只能是成员函数的指针。
再分析⼀下，对象中是否有存储指针的必要呢，Date实例化d1和d2两个对象，d1和d2都有各自独立的成员变量_year/_month/_day存储各自的数据，但是d1和d2的成员函数Init/Print指针却是⼀样的，存储在对象中就浪费了。如果用Date实例化100个对象，那么成员函数指针就重复存储100次，太浪费了。
这里需要再额外哆嗦⼀下，其实函数指针是不需要存储的，函数指针是⼀个地址，调用函数被编译成汇编指令[call 地址]， 其实编译器在编译链接时，就要找到函数的地址，不是在运行时找，只有动态多态是在运行时找，就需要存储函数地址。

上⾯我们分析了对象中只存储成员变量，C++规定类实例化的对象也要符合内存对齐的规则。

  • 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。
class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << _ch << endl;
    }
private:
    char _ch;
    int _i;
};

让我们来计算一下A实例化的对象是多大？

首先成员函数是不用存储的，只需要存储成员变量，_ch存放在偏移量为0的位置，占一个字节,_i是int类型的数据，对齐数为4和8的较小值，所以对齐数是4，因此_i需要放在偏移量为4的位置，占4个字节。所以总共占8个字节，并且是4的整数倍，所以不需要补充。

C++规定类实例化的对象也要符合内存对齐的规则，这个内存对齐规则和struct结构体内存对齐规则是一样的。​​​​​​C语言中的数据类型（二）--结构体-优快云博客

class B
{
public:
    void Print()
    {
        //...
    }
};
class C
{};

现在让我们计算一下B/C实例化的对象是多大？

B和C类中都没有成员变量，两个实例化的对象是0个字节吗？

我们使用程序计算一下

int main(){
    B b;
    C c;
    cout<<sizeof(b)<<endl;
    cout<<sizeof(c)<<endl;
    return 0;
}

我们看到成员变量的B和C类对象的大小是1，为什么没有成员变量还要给1字节呢？因为如果⼀个字节都不给，怎么表⽰对象存在过呢！所以这⾥给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。

三、this指针

我们现在写一段代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;
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类实例化出对象d1和d2
    Date d1;
    Date d2;
    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();
    d2.Init(2024, 7, 5);
    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和Print函数时，该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢？那么这里就要看到C++给了⼀个隐含的this指针解决这里的问题。

编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加⼀个当前类类型的指针，叫做this指针。比如如Date类的Init的真实原型为， void Init(Date* const this, int year, int month, int day)。在调用Init的函数时，编译器会自动的把d1的地址传过去。也就是d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);

我们转到汇编语言可以看到：

lea指令就是将d1的地址存放在寄存器rcx中，然后调用Init函数。

类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this->_year = year;在访问成员变量时，this指针可以省略。

C++规定不能在实参和形参的位置显示的写this指针(编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显示使用this指针。

现在，让我们来做两个相似的题目

题目1：请问下面程序能正常运行吗？

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << "A::Print()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}

我们创建了一个A*类型的空指针，现在我们想要通过这个空指针来调用Print函数，能否调用成功？

答案是能调用成功，这是为什么呢？

这是因为，我们在执行p->Print()这一句代码时，编译器会执行call指令，跳转到Print函数开始的位置。与这个空指针没有关系。汇编代码如下：

从这个汇编代码中，我们可以了解到，当执行p->Print()这一句代码时，编译器会执行call指令。

题目二：请问下面程序能正常运行吗？

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << "A::Print()" << endl;
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}

这个题目与题目一非常类似。只不过我们在调用Print的时候访问了成员变量_a。这个程序能否运行成功呢？

答案是不能，这是为什么呢？当我们在执行p->Print()这一句代码时，会把p这个空指针也传进去作为this指针，上面的题目一中没有用到this指针，所有能够执行成功，题目二当我们访问成员变量时会默认的加上this指针，也就是：cout << this->_a << endl;但是this指针是空指针，所以报错。

四、C++和C语言实现Stack对比

通过下面两份代码对比，我们发现C++实现Stack形态上还是发生了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化。
  • C++中数据和函数都放到了类里面，通过访问限定符进行了限制，不能再随意通过对象直接修改数据，这是C++封装的⼀种体现，这个是最重要的变化。这⾥的封装的本质是⼀种更严格规范的管理，避免出现乱访问修改的问题。当然封装不仅仅是这样的，我们后面还需要不断的去学习。
  • C++中有⼀些相对方便的语法，⽐如Init给的缺省参数会方便很多，成员函数每次不需要传对象地址，因为this指针隐含的传递了，方便了很多，使用类型不再需要typedef⽤类名就很方便
  • 在我们这个C++入门阶段实现的Stack看起来变了很多，但是实质上变化不大。

4.1 C语言实现Stack

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;
void STInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}
void STDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	// 满了， 扩容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity *
			sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
bool STEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}
void STPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	ps->top--;
}
STDataType STTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}
int STSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}
int main()
{
	ST s;
	STInit(&s);
	STPush(&s, 1);
	STPush(&s, 2);
	STPush(&s, 3);
	STPush(&s, 4);
	while (!STEmpty(&s))
	{
		printf("%d\n", STTop(&s));
		STPop(&s);
	}
	STDestroy(&s);
	return 0;
}

4.2 C++实现Stack

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init(int n = 4)
	{
		_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
		if (nullptr == _a)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		_capacity = n;
		_top = 0;
	}	
	void Push(STDataType x)
	{
		if (_top == _capacity)
		{
			int newcapacity = _capacity * 2;
			STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity *
				sizeof(STDataType));
			if (tmp == NULL)
			{
				perror("realloc fail");
				return;
			}
			_a = tmp;
			_capacity = newcapacity;
		}
		_a[_top++] = x;
	}
	void Pop()
	{
		assert(_top > 0);
		--_top;
	}
	bool Empty()
	{
		return _top == 0;
	}
	int Top()
	{
		assert(_top > 0);
		return _a[_top - 1];
	}
	void Destroy()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}
private:
	// 成员变量
	STDataType* _a;
	size_t _capacity;
	size_t _top;
};
int main()
{
	Stack s;
	s.Init();
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	s.Push(4);
	while (!s.Empty())
	{
		printf("%d\n", s.Top());
		s.Pop();
	}
	s.Destroy();
	return 0;
}

我们看一下

C语言实现入栈的代码是STPush(&s, 1);

C++实现入栈的代码是S.Push(1);

两个从底层上看是一模一样的，我们在调用S.Push(1)时，会默认的传入S的地址。不需要我们手动的传入了。

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