C++:类与对象(上)

前言：

在C++编程中，类与对象是重要的概念，学好它们对于编写可维护、可扩展和可重用的代码至关重要。学习类与对象的概念可以帮助我们以面向对象的方式思考问题和设计解决方案。面向对象编程强调数据和功能的相互关联，通过将问题分解成对象和它们之间的相互交互来解决问题。学好类与对象是编写高质量、易于维护和可扩展的C++代码的基础。理解类与对象的概念和使用方式，掌握面向对象编程的思维方式，可以提升代码的设计能力和开发效率。

一、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。

拿我们洗衣服来举例：
在没有洗衣机解放双手的时候，我们基本上都要用双手来让自己手动完成各个流程

我们洗衣服的过程是什么：

这时候我们就是一步一步，面向过程进行的。

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。

我们现在洗衣服是怎么样的呢？

这里面总共有四个对象：人、衣服、洗衣机、洗衣粉

整个洗衣服的过程：人将衣服放入洗衣机里，倒入洗衣粉，启动洗衣机，洗衣机就会帮我们完成洗衣并且甩干。

整个洗衣过程主要是：人、衣服、洗衣机、洗衣粉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。

二、类的引入与定义

1、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：
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 。

cpp 复制代码

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;
}

但是在c++中，我们更喜欢用class来替代struct。

2、类的定义

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：

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。

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::

三、类的访问限定符及封装

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接口提供给外部的用户使用。

【访问限定符说明】

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(此处protected和private是类似的)
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

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，那什么是封装呢？

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。

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。

我们在敲代码的时候：

cpp数据和方法都放在类里面
cpp访问限定符去对成员进行限制，想给你访问是公有，不想给你访问是私有或者保护

四、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。

cpp 复制代码

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;
}

五、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。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
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

cpp 复制代码

int main()
{
 Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:"."
 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。

cpp 复制代码

int main()
{
   preson s;//实例化对象
   s._age=100;
   return 0;
}

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

六、类对象模型

1、如何计算类对象的大小

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

class Person
{
public:
	void PrintPersonInfo()
	{
		cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
	}
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int  _age;
};
int main()
{
	Person p1;
	Person p2;
	cout << sizeof(p1) << endl;
	cout << sizeof(p2) << endl;
	return 0;
}

类对象的大小，类中有成员变量和成员函数两种，我们疑惑的是，成员函数会有大小吗？

我们调试后发现：

这里要遵守内存对齐原则 ，我们可以发现，成员函数是没有大小的，这是为什么呢？

2、类对象的存储方式猜测

我们在反汇编里可以看出，不同对象的成员函数地址是一样的

在类的模型里，成员可能有不同的存储方式：

>.成员变量和成员函数的地址都单独存储在各自的对象里

不同的对象成员变量可能不同，但是函数都是一样的，函数再单独存储到这里属实有点浪费了

>.每个对象只存成员变量，成员函数存到一个公共的区域

这样把成员函数单独存到一个公共区域，这样对于所有对象来说都是一样的。

我们上面调试之后的结果说明这里是用了第二种方法。

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。

3、结构体内存对齐规则

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。

七、this指针

1、什么是this指针

我们先定义一个日期类

cpp 复制代码

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。

2、this指针的特性

this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
只能在"成员函数"的内部使用
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。
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

3.、C语言和C++实现Stack的对比

1、C语言实现Stack

cpp 复制代码

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;
 }
比特就业课
 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：

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。

2、c++实现Stack

cpp 复制代码

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;
 }
比特就业课
 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;
}

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。