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[C++]类和对象【上篇】

news 来源：原创 2024/4/28 16:01:01

​

🥁作者： 华丞臧
📕​​​​专栏：【C++】
各位读者老爷如果觉得博主写的不错，请诸位多多支持(点赞+收藏+关注)。如果有错误的地方，欢迎在评论区指出。

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文章目录

  • 1.面向过程和面向对象初步认识
  • 2.类的引入
  • 3.类的定义
  • 4.类的访问限定符及封装
    • 4.1 访问限定符
      • C++中struct和class的区别是什么？
    • 4.2 封装
  • 5.类的作用域
  • 6.类的实例化
  • 7.类对象模型
    • 7.1 类对象的存储方式猜测
    • 7.2 结构体内存对齐规则回顾
  • 8.this指针
    • 8.1 this指针的引出
    • 8.2 this指针的特性

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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。
在这里插入图片描述
上述图片总共有四个对象：人、衣服、洗衣机、洗衣粉。
整个洗衣服的过程：人将衣服放进洗衣机，再倒入洗衣粉，然后启动洗衣机，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，人不需要关注洗衣机是如何洗衣服如何甩干衣服的。
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2.类的引入

C语言中结构体只能定义变量，在C++当中结构体升级,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。

C语言中，struct可以定义一个新的类型，而新类型的结构体当中只有成员变量，如我们之前学习过的栈、队列、链表、通讯录等等，在这些类型当中的成员变量是存放类型相关属性。

//这是一个例子
typedef struct PeopleInfo
{
//成员变量--这些变量表示人的相关属性
	char name[NAME_MAX];  //姓名
	char sex[SEX_MAX];    //性别
	int age;              //年龄
	char* tele[TELE_MAX]; //电话
	char* addr[ADDR_MAX]; //地址
}PeoInfo;

typedef struct Contact
{
//成员变量--这些变量表示通讯录的相关属性
	PeoInfo* data;  //通讯录
	int size;       //联系人个数
	int capacity;   //容量
}CT;

而在 C++中，对struct进行了升级，不仅仅可以定义类型相关的属性，还可以定义类型相关的方法(即类的成员函数)，并且C++中struct兼容C语言当中所有结构体的用法。

//C++中 struct 升级
//1.兼容C中struct的所有用法
//2.升级成了类，不仅可以定义变量还可以定义函数
typedef int DataType;
struct Stack
{
	//成员函数/成员方法
	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)
	{
		_array[_size] = data;
		++_size;
	}
	DataType Top()
	{
		return _array[_size - 1];
	}
	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
	//成员变量--这些变量表示栈的相关属性
	DataType* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
int main()
{
	Stack s; //定义一个对象 s
	s.Init(10); //使用
	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来替代。

3.类的定义

语法如下：

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；类当中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，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。
//这是一个例子
class Person
{
public:
	//显示基本信息
	void ShowInfo()
	{
		cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
	}
private:
	char* _name; //姓名
	char* _sex;  //性别
	int _age;    //年龄
};
  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；
//声明放在类的头文件person.h当中
#pragma once
#include <iostream>

class Person
{
public:
	//显示基本信息
	void ShowInfo();
//C++中，惯例给成员变量加上前_ 或者 后_，用来更好区分成员变量和形参，
//具体公司可能有不同的要求,目的都是为了标识成员变量。
private:
	char* _name; //姓名
	char* _sex;  //性别
	int _age;    //年龄
};

//定义放在类的实现文件person.cpp中
#include "person.h"
using namespace std;

void Person::ShowInfo()
{
	cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
}

一般情况下，更期望采用第二种方式。
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;
	}
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;
};
// 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。

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结构提供个外部的用户使用。(为了更好的控制封装)
在这里插入图片描述
【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。

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。

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，那么什么是封装？
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。

在这里插入图片描述
比如一台电脑，提供给用户的有开关机键、显示器、键盘、鼠标等，用户通过USB接口或者外部的设备如显示器、键盘等和计算机交互，完成日常事务；但是电脑真正工作的是CPU、显卡、内存等一些硬件，对于用户来说并不需要知道内部的细节，只需要知道如何使用即可；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，仅仅对外提供开机、鼠标及键盘插孔等，让用户可以与计算机进行交互即可。
在C++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称为类域，类的所有成员都在类的作用域中。在类外定义成员时，需要使用::作用域操作符指明成员属于哪个类域。
在一个大型工程中，一般要求函数的声明和定义分离；C++中同样如此，那么类当中的成员函数也需要声明和定义分离；当一个工程中有多个类时，各个类的成员函数名可能发生命名冲突，此时就可以使用类的作用域指定函数所属的类域。如下：

//例子
void Stack::Init(); //指定Stack类域

void Queue::Init(); //指定Queue类域

void Slist::Init(); //指定Slist类域

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，限定了类有那些成员，定义一个类并没有分配实际的内存空间来存储它；
  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；
  3. 类的实例化出的对象就像现实中使用建筑设计图建造的房子，类就是设计图，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图纸，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间。

在这里插入图片描述

7.类对象模型

如何计算类对象的大小？

#include <iostream>

using namespace std;

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

int main()
{
	A a;
	cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;
	cout << "sizeof(a) = "<< sizeof(a) << endl;
	//程序运行结果是什么呢？
	return 0;
}

运行程序可以看到结果如下图所示：
在这里插入图片描述
那么为什么会是这个结果呢？

7.1 类对象的存储方式猜测

大佬在设计C++时，考虑了以下几种方案：

  1. 对象中包含类的各个成员
    在这里插入图片描述
    缺陷：每个对象中成员变量是不同的，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，每个对象中都会保存一份代码，相同代码保存多次，浪费空间，那么如何解决？请看第二种方法。

  2. 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
    在这里插入图片描述
    方式二是方式一的优化，只保存函数地址无疑方式一节省了很多空间，但是每个对象当中都会保存同一份代码的地址还是存在空间的浪费；

  3. 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
    在这里插入图片描述
    方式三只存放成员变量，成员函数放在公共代码区，这样类定义的每个对象中只有成员变量，不会有空间的浪费。

【问题】对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？
当我们用一个类定义多个对象时，每个对象的数据是相互独立的，每个对象有每个对象的数据，但是每个对象使用的函数是相同的；因此不需要在每个对象中都存放一份代码，公共的代码只需要一份，所以将成员函数放到公共代码区谁需要谁去公共代码区找到调用即可。综上所述，方案三是最合适最优的方案。

空类的大小：

//例子
#include <iostream>
using namespace std;

class A2
{
public:
	void func2() {}
};

class A3
{};

int main()
{
	//1 占位，不存储有效数据，表示对象存在
	cout << "sizeof(A2) = " << sizeof(A2) << endl;
	cout << "sizeof(A3) = " << sizeof(A3) << endl;
	
	return 0;
}

运行程序可以看到空类大小为 1：
在这里插入图片描述
解释：空类大小为 1，空类会被分配 1字节用来占位，不存储有效数据只标识对象存在。

7.2 结构体内存对齐规则回顾

  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 this指针的引出

我们先来定义一个简单的日期类：

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(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。

this一般不显示出来，上述日期类可以看成如下代码：

class Date
{
public:
	//隐含this指针
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	void Print()
	{
		//隐含this指针
		cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
	}
private:
	int _year;     // 年
	int _month;    // 月
	int _day;      // 日
};

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寄存器传递，不需要用户传递。

【面试题】

  1. this指针存在哪里？

this指针是“成员函数”的一个隐含的指针形参，既然是形参就存放在函数栈帧中即this指针存放在栈上面。

  1. 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;
}
// 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;
}

上述代码中的两题答案分别是C(正常运行)、B(运行崩溃)。
第一题能正常运行，p->Print()处并不会发生解引用，因为成员函数的地址不在对象中，而是存放在公共代码区。
第二题与第一题类似，问题在于this指针；我们知道成员函数中隐含一个this指针，而调用PrintA()函数时 cout <<_a<<endl 语句解释于cout <<this->_a<<endl ,此时发生了空指针的解引用，故程序崩溃。

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