【类和对象】类的作用域 | 类的实例化 | 类对象模型 | this指针

唐棣棣2024-03-16 20:33

目录

5.类的作用域

6.类的实例化

6.1成员的声明和定义

6.2实例化出的对象大小

7.类对象模型❗❗

7.1如何计算类对象的大小

7.2类对象的存储方式猜测

7.3结构体内存对齐规则

7.3.1内存对齐

7.3.2大小端

8.this指针

8.1this指针的引出

8.2this指针的特性

C和C++实现栈的对比

  • 类，对象，成员变量，变量，成员函数的关系

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。

  • 类域能解决一定的命名冲突问题
  • 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。
cpp 复制代码 
//声明.h
class Person
{
public:
	void PrintPersonInfo();
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int  _age;
};

//定义.cpp
// 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。

  • 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。
  • 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
  • 类是没有空间的，只有类的实例化出的对象才有具体的空间。

举例：

  • 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
    举例：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。

6.1成员的声明和定义

  • 无论是成员变量/成员函数在类中，只要还未被实例化成对象，那么它们都是一种声明，因为它们只是类，并不存在空间。
  • 定义并不是给值，而是为类开辟空间，也就是实例化。
  • 定义的时候可以初始化，但是只初始化并不代表定义。
cpp 复制代码 
#include<stdlib.h>
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	//这里是声明还是定义？声明
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date s;//定义了
	s.Init(1,1,1);
❌	Date::_year++;//不能因为它只是声明，并没有开辟空间
❌  Date._month = 100;  // 编译失败：error C2059: 语法错误:"." 
	return 0;
}

6.2实例化出的对象大小

移步☞类对象的存储方式。

7.类对象模型❗❗

《深度探索C++对象模型》这本书中对对象模型的描述如下：

有两个概念可以解释C++对象模型：

  • 语言中直接支持面向对象程序设计的部分。
  • 对于各种支持的底层实现机制。

对象模型是指在面向对象编程中，为了描述和处理现实世界中的实体、事物或概念所构建的抽象模型。它通常由类、对象、属性、方法等元素组成，用于描述实体之间的关系、结构和行为。

❓❓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？类对象的存储方式？如何计算一个类的大小？ 下面我们来一起探讨。

7.1如何计算类对象的大小

  • 类的实例化=对象
  • sizeof（类名）
  • sizeof（对象）
  • 二者计算都是类实例化的大小，也就是类对象的大小。
  • 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。
  • 没有成员变量的类对象大小1字节，标识对象实例化，定义出来存在。
cpp 复制代码 
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
	char _i;
};

❓计算下面类对象的大小： sizeof(A1) : ______ sizeof(A2) : ______ sizeof(A3) : ______

cpp 复制代码 
#include<stdlib.h>
#include<iostream>
using namespace std;
// 类中既有成员变量，又有成员函数
//内存对齐存储
class A1 {
public:
	void f1() {}
private:
	int _a;
	char _i;
};

// 类中仅有成员函数
//标识对象实例化，定义出来存在
class A2 {
public:
	void f2() {}
};

// 类中什么都没有---空类
class A3
{};
int main()
{
	cout << sizeof(A1) << endl;
	cout << sizeof(A2) << endl;
	cout << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

7.2类对象的存储方式猜测

类对象的存储方式有两种：

  • 对象中包含类的各个成员（不用）
  • 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址（以后）
  • 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段（现阶段）
cpp 复制代码 
//现阶段
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	Date d2;

	//不是一块空间，成员变量各自是各自的空间
	d1._year;
	d2._month;

	//是一块空间，成员函数是一块空间
	d1.Init(1,1,1);
	d2.Init(1,1,1);

	return 0;
}

【对象中包含类的各个成员】

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（成员函数的地址），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】

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？
    1. 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？
    1. 什么是大小端？如何测试某机器大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景。
  • 前面C语言进阶我们也讲解过（结构体）C语言之自定义类型_结构体篇（1）-CSDN博客

7.3.1内存对齐

  • 怎样内存对齐？
  • 类对象的包含了什么，需要包括成员函数吗？
  • 为什么要内存对齐？
  • 可以改变对齐参数吗？

【怎么内存对齐---按照规则】

类的对象存储空间只包含了成员变量，成员函数在公共区域。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
struct A
{
private:
	int _a;
	char _i;
};

struct B
{
private:
	char _i;
	int _a;
};

【为什么要内存对齐】

  • 对齐是为了提高效率！
  • 硬件规定CPU一次只能读取4/8个字节。
  • 32/64个线，32/64个位，组成0/1的二进制数。（消耗相同，一次只读取32/64位，4/8个字节）
  • 硬件规定：CPU的控制器只能从整数倍开始读取。起始位置必须是整数倍的位置。
  • 以上规定从而导致了：对齐和不对齐读取存在效率上的问题。
  • 对齐读取的次数比不对齐读取的次数多。

【对齐可以改变编译器默认对齐数的大小】

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;

//改变默认对齐数的大小
#pragma pack(1)//相当于不对齐

struct A
{
private:
	int _a;
	char _i;
};


struct B
{
private:
	char _i;
	int _a;
};

int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
	cout << sizeof(B) << endl;
	return 0;
}

7.3.2大小端

8.this指针

8.1this指针的引出

8.2this指针的特性

C和C++实现栈的对比

【C语言】

可以看到，在用C语言实现时，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，即数据和操作数据方式是分离开，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++】感谢祖师爷

  • 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。

【C语言实现】

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>

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;
}

【C++实现】

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;

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;
}

🙂感谢大家的阅读，若有错误和不足，欢迎指正。

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