类和对象（上篇）

只是雪豹2023-12-23 3:13
面向过程和面向对象初步认识

在之前的C语言学习中我们可以知道，C语言和C++的区别就在于：
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。
而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。

C语言就好比是将洗衣服的过程注意分解：

而C++就是基于洗衣服的人，衣服，洗衣粉等对象进行分析的

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。

很简单的例子就是我们之前在数据结构的学习中所写的栈：

如果我们用C语言来写的话我们就是将栈的初始化等函数单独写出去，而不是放入结构体，而C++就是直接将函数写入我们的结构体中，实现了封装的功能

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;
}

这里需要注意的是：
在C++中这里的struct 更喜欢用class来替换

类的定义

类的形式如下：

这里的 classname 就是你要定义的类名

class 就是定义类的关键字

{}里面就是类的主题部分

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

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

类一共有两种定义的方式：

  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::
    其实咱们可以尽量地使用第二种

成员变量命名规则的建议：

首先我们放上一段代码

这里的形参和成员变量都长一样，就会有点僵硬

class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 	year = year;
 }
 private:
 	int year;
};

所以一般情况下我们的成员变量命名规则如下：

就在成员变量前加一个标识符就行，具体的规则就要看个人习惯和工作要求了

class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
	 _year = year;
 }
private:
	 int _year;
};
类的访问限定符及封装
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。

访问限定符一共有三个：

在目前的学习中我们暂且将私有和保护分为一类上，在当前层次的学习上我们将他俩认为是有相同的功能，就是出了类就不能对它进行访问了

共有则相反

【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)

这里给大家一个题目：

C++中struct和class的区别是什么？

其实二者的最大区别就是struct在定义类时的默认访问权限是public，而class则是private

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。

封装

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。

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。

例如：

我们定义一个人的类

但是我们需要在类的外面访问类的成员时，我们就需要用到：：

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;
 }
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

    例如：

    下面这段代码会出现编译错误

    因为你还没有为类开辟空间就直接进行了实例化

    nt main()
    {
    Person._age = 100; // 编译失败：error C2059: 语法错误:"."
    return 0;
    }

正确的方法如下：

nt main()
{
Person a;   
 a._age = 100;   
 return 0;
}
  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
    也就是说：其实我们设计的图纸就是只是一个类的声明，而建房子才是类的实例化
类对象模型
如何计算类对象的大小

下面给出一段代码，求他的所占内存的大小

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

大家有疑惑的一个点可能就在于：

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？

这里的答案是1，所占内存大小就只有_a的大小，为什么呢，我们接着来了解类的存储方式

类对象的存储方式猜测

首先我们来假设一种情况：

就是函数也存在对象中：

由于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。

所以我们就有了第二种猜想：

代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

存储方式大概如下：

或者说：
只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

反正总结下来就是：
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

下面我们用几段代码来测试：

// 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
{};

答案是什么呢？

第一个的大小是4我相信大家应该都能答对

但是第二个第三个的答案是1！

大家都在想，明明类里面完全是空的，为什么还有一个字节的空间呢？

原因就是：
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。

也就是说，这一个字节并不存储有效数据，而是用来占位标识的

结构体内存对齐规则

这里我们就来复习一下内存对齐的规则：

  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。
this指针
this指针的引出

首先咱们定义一个简单的类：

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;
}

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。

也就是说，这个this指针是编译器帮我们完成的，不需要我们自己动手来加上去

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
    大家可以参考下面的图理解：

    那么this指针存储在哪里呢？
    其实this指针是存在栈里面，他是一个隐含的形参
    那么this是一个指针，它可以为空吗？
    直接上代码：
    本段代码是正常运行的！
    因为print函数并没有对类的成员变量进行解引用！所以没有对空指针进行解引用！

    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;
    }

而下面这段代码就不一样了，程序会奔溃

因为print函数对成员变量进行了访问，进行了解引用操作

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;
}

而下面这段代码也依然是正常运行，因为*p只是做了一个传参，本质上还是在调用print函数，并没有进行解引用

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<<" print "<<endl;
   }
private:
 int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
   (*p).PrintA();
    return 0;
}
C语言和C++实现Stack的对比

C语言实现：

typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
 DataType* array;
 int capacity;
 int size;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
 if (NULL == ps->array)
 {
 assert(0);
 return;
 }
 ps->capacity = 3;
 ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 if (ps->array)
 {
 free(ps->array);
 ps->array = NULL;
 ps->capacity = 0;
 ps->size = 0;
 }
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
 if (ps->size == ps->capacity)
 {
 int newcapacity = ps->capacity * 2;
 DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->array, 
newcapacity*sizeof(DataType));
 if (temp == NULL)
 {
 perror("realloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 ps->array = temp;
 ps->capacity = newcapacity;
 }
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
 assert(ps);
 CheckCapacity(ps);
 ps->array[ps->size] = data;
 ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
 if (StackEmpty(ps))
 return;
 ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
 assert(!StackEmpty(ps));
 return ps->array[ps->size - 1];
 }
int StackSize(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 return ps->size;
}
int main()
{
 Stack s;
 StackInit(&s);
 StackPush(&s, 1);
 StackPush(&s, 2);
 StackPush(&s, 3);
 StackPush(&s, 4);
 printf("%d\n", StackTop(&s));
 printf("%d\n", StackSize(&s));
 StackPop(&s);
 StackPop(&s);
 printf("%d\n", StackTop(&s));
 printf("%d\n", StackSize(&s));
 StackDestroy(&s);
 return 0;
}

可以看到，在用C语言实现时，Stack相关操作函数有以下共性：

1 每个函数的第一个参数都是Stack*

2 函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL

3 函数中都是通过Stack*参数操作栈的

4 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。

C++实现：

typedef int DataType;
class Stack
{
public:
 void Init()
 {
 _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
 if (NULL == _array)
 {
 perror("malloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 _capacity = 3;
 _size = 0;
 }
 void Push(DataType data)
 {
 CheckCapacity();
 _array[_size] = data;
 _size++;
 }
 void Pop()
 {
 if (Empty())
 return;
 _size--;
 }
 DataType Top(){ return _array[_size - 1];}
 int Empty() { return 0 == _size;}
 int Size(){ return _size;}
 void Destroy()
 {
 if (_array)
 {
 free(_array);
 _array = NULL;
 _capacity = 0;
 _size = 0;
 }
 }
private:
 void CheckCapacity()
 {
 if (_size == _capacity)
 {
 int newcapacity = _capacity * 2;
 DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
sizeof(DataType));
 if (temp == NULL)
 {
 perror("realloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 _array = temp;
 _capacity = newcapacity;
 }
 }
private:
 DataType* _array;
 int _capacity;
 int _size;
};
int main()
{
 Stack s;
 s.Init();
 s.Push(1);
 s.Push(2);
 s.Push(3);
 s.Push(4);
 printf("%d\n", s.Top());
 printf("%d\n", s.Size());
 s.Pop();
 s.Pop();
 printf("%d\n", s.Top());
 printf("%d\n", s.Size());
 s.Destroy();
 return 0;
}

可以看到，C++将函数一起封装到类里面了，不用进行传参

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。

好了，今天的分享到这里就结束了，谢谢大家的支持！

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