C++从入门到精通——初步认识面向对象及类的引入

鲜于言悠9052024-04-11 2:35

初步认识面向对象及类的引入

前言

面向过程注重任务的流程和控制，适合简单任务和流程固定的场景；而面向对象则将数据和功能封装成对象，通过对象间的交互实现复杂功能，更适用于大型、复杂的软件系统开发。

类的引入是面向对象编程中的一个核心概念。通过类，我们可以创建具有相同属性和行为的对象，从而实现代码的重用和模块化。类定义了对象的结构和行为，包括对象的属性（数据成员）和方法（成员函数）。通过实例化类，我们可以创建对象，并赋予它们特定的属性值。这样，每个对象都具有独特的身份，但仍然共享类的定义和行为。类的引入使得代码更加组织化、可维护性和可扩展性，提高了软件开发效率和质量。

一、面向过程和面向对象初步认识

当我们开始接触编程时，首先遇到的两个核心概念便是面向过程（Procedural Programming）和面向对象（Object-Oriented Programming，简称OOP）。这两种编程范式各有其特点，并且在不同的应用场景中发挥着各自的优势。

面向过程编程，顾名思义，是以一系列按照特定顺序执行的过程或函数为核心来构建程序的。在这种编程范式中，程序员会定义一系列函数，每个函数负责完成特定的任务，然后通过一个主程序来调用这些函数，以实现特定的功能。面向过程编程的优点在于其直观性和简单性，特别适用于小规模、逻辑清晰的程序。然而，随着程序规模的扩大和复杂度的提升，面向过程编程的缺点也逐渐暴露出来，如代码重复、难以维护、可扩展性差等。

与面向过程编程不同，面向对象编程将现实世界中的事物抽象为对象，每个对象都拥有属性和方法。对象之间可以通过消息传递进行交互，从而实现复杂的功能。面向对象编程的核心概念包括类（Class）、对象（Object）、继承（Inheritance）、封装（Encapsulation）和多态（Polymorphism）。通过这些概念，面向对象编程能够更好地模拟现实世界，提高代码的可重用性、可维护性和可扩展性。

在实际应用中，面向过程和面向对象编程往往不是孤立的，而是相互补充的。对于某些特定的任务或模块，使用面向过程编程可能更加合适；而对于整个系统或大型项目，采用面向对象编程则能够更好地组织和管理代码。因此，作为程序员，我们需要根据具体的需求和场景来选择合适的编程范式，以达到最佳的开发效果。

C语言

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。

C++

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。


二、类的引入

类的引入在编程中是一个核心概念，它允许我们创建具有相似属性和行为的对象集合。通过定义类，我们可以封装数据（属性）和功能（方法），从而创建出具有特定特性和行为的对象。这种封装不仅提高了代码的可读性和可维护性，还增强了代码的重用性。

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：之前在我之前用C语言写的数据结构的文章中，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。

总结：c++兼容C语言中的struct用法，但是c++将struct升级成了类

C++的类名代表什么

在C++中，类名代表了一种自定义的数据类型。类是一种用户定义的数据类型，可以封装数据和成员函数，以实现特定的功能。

类定义了一组数据成员和成员函数，用于描述对象的状态和行为。数据成员表示对象的属性和状态，而成员函数用于定义对象的行为和操作。

通过创建类的对象，我们可以实例化该类并使用类的成员函数来操作对象的数据。类提供了一种封装数据和功能的机制，使得代码可以更加模块化和可维护。

类名在C++中是用来标识该类的唯一标识符。通常按照一定的命名规范（如驼峰命名法）命名类名，以便于代码的可读性和可理解性。类名是用来声明类变量、创建对象和调用类的成员函数的重要标识符。

示例

在C语言中我们定义一个链表是按照下面的方式来定义的

cpp 复制代码 
typedef struct SListNode
{
	SLTDataType data;
	struct SListNode* next;
}SLTNode;

在C++中定义一个链表却是按照下面这个方式来定义

cpp 复制代码 
 struct SListNode
{
	SLTDataType data;
	SListNode* next;
};

C++中的struct具有与类相同的能力，可以封装数据和成员函数。

C++与C语言的struct的比较

C++与C语言中的struct在定义和使用上有一些区别。

成员函数

C++的struct可以包含成员函数，而C语言的struct只能包含成员变量。

以下是一个使用C++中的struct定义一个包含成员函数的示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

struct Person {
	//成员变量
    std::string name;
    int age;
	//成员函数
    void display() {
        std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age <<std::endl;
    }
};

int main() {
    Person p1;
    p1.name = "John";
    p1.age = 25;
    p1.display();

    return 0;
}

上述示例中，我们定义了一个名为Person的struct，它包含了两个成员变量name和age，还有一个成员函数display()。在main函数中，我们创建了一个Person对象p1，并为其成员变量赋值，然后通过调用p1.display()函数来显示该对象的信息。

而在C语言中，如下

cpp 复制代码 
struct Person {
 
    int age;
};
void display() {
       ......
    };

上述示例中，我们可见C语言的结构体只能定义成员变量

访问权限

C++中的struct成员默认为public，而C语言中的struct成员默认为public。这是因为C++要兼容C，所以都是public，关于public可以看我的下一篇文章。

在C++中，struct和class的主要区别在于默认访问权限。下面是一个示例，展示了C++中的struct成员默认为public，而C语言中的struct成员默认为public的区别：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

// C++中的struct，默认成员为public
struct Person {
    std::string name;
    int age;

    void display() {
        std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;
    }
};

int main() {
    Person p1;
    p1.name = "John";
    p1.age = 25;

    p1.display();

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个名为Person的struct，它包含了一个string类型的name和一个int类型的age。还有一个名为display的成员函数，用于显示该结构体的信息。

我们可以直接访问struct的成员变量和成员函数，无需使用任何访问修饰符。在main函数中，我们创建了一个Person类型的结构体变量p1，并为其成员变量赋值。然后，在display函数中，我们通过p1对象直接调用成员函数来显示该结构体的信息。

需要注意的是，C语言中的struct不支持成员函数，默认情况下，所有成员都是公开的，可以直接访问。而C++中的struct可以使用成员函数，而且默认情况下成员是公开的。这是C语言和C++中struct的一个主要区别。

继承

C++的struct可以通过继承来拓展，而C语言的struct不能进行继承。关于继承可以看我的后续文章。

在C++中，可以通过继承来拓展struct，如下所示：

cpp 复制代码 
struct Animal {
    int age;
};

struct Cat : public Animal {
    std::string name;
};

int main() {
    Cat cat;
    cat.age = 3;
    cat.name = "Tom";

    return 0;
}

在上面的例子中，Cat结构体从Animal结构体继承，继承后的Cat结构体包含了Animal的成员变量age，并新增了一个成员变量name。

而在C语言中，struct无法进行继承。C语言的结构体只能包含成员变量，不能继承其他结构体的成员变量或方法。下面是一个C语言中使用结构体的例子：

c 复制代码 
typedef struct {
    int age;
} Animal;

typedef struct {
    Animal animal;
    char name[20];
} Cat;

int main() {
    Cat cat;
    cat.animal.age = 3;
    strcpy(cat.name, "Tom");

    return 0;
}

在上面的例子中，Cat结构体包含了Animal结构体的成员变量age，并新增了一个成员变量name。但是这种方式并不是继承，而是嵌套了一个Animal结构体，通过嵌套来实现在Cat中包含Animal的成员变量。

默认构造函数

C++的struct可以有默认构造函数，而C语言的struct没有默认构造函数。

下面是一个具有默认构造函数的C++ struct的例子：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

struct Person {
    std::string name;
    int age;
    
    // 默认构造函数
    Person() {
        name = "Unknown";
        age = 0;
    }
};

int main() {
    Person person; // 调用默认构造函数
    
    std::cout << "Name: " << person.name << std::endl;
    std::cout << "Age: " << person.age << std::endl;

    return 0;
}

在上述例子中，定义了一个Person结构体，并为其提供了默认构造函数。在默认构造函数中，将name初始化为"Unknown"，将age初始化为0。在主函数中，创建了一个Person对象person，由于没有提供任何参数，因此使用了默认构造函数进行初始化。输出结果如下：

Name: Unknown
Age: 0

而在C语言中，struct没有默认构造函数的概念。在C语言中，需要手动为struct的成员变量赋初始值。下面是一个使用C语言的struct的例子：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

struct Person {
    char name[20];
    int age;
};

int main() {
    struct Person person = {"Unknown", 0}; // 手动赋初始值
    
    printf("Name: %s\n", person.name);
    printf("Age: %d\n", person.age);

    return 0;
}

在上述例子中，定义了一个Person结构体，并在主函数中手动为其成员变量赋初始值。通过使用大括号括起来的值列表来初始化结构体对象。输出结果与前面的例子相同：

Name: Unknown
Age: 0

默认成员初始化

C++的struct可以在声明时为成员变量提供默认值，而C语言的struct不支持默认成员初始化。

下面是一个C++ struct中支持默认成员初始化的例子：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

struct Rectangle {
    int width = 0;  // 默认初始化为0
    int height = 0; // 默认初始化为0
};

int main() {
    Rectangle rectangle; // 使用默认初始化值
    
    std::cout << "Width: " << rectangle.width << std::endl;
    std::cout << "Height: " << rectangle.height << std::endl;

    return 0;
}

在上述例子中，定义了一个Rectangle结构体，并在成员变量的声明时为其提供了默认值。在主函数中，创建了一个Rectangle对象rectangle，由于没有提供任何初始化值，因此会使用成员变量的默认值进行初始化。输出结果如下：

Width: 0
Height: 0

而在C语言中，不支持这种在声明时为成员变量提供默认值的特性。在C语言中，需要在初始化结构体对象时手动为其成员变量赋值。下面是一个使用C语言的struct的例子：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

struct Rectangle {
    int width;
    int height;
};

int main() {
    struct Rectangle rectangle = {0, 0}; // 手动赋初始值
    
    printf("Width: %d\n", rectangle.width);
    printf("Height: %d\n", rectangle.height);

    return 0;
}

在上述例子中，定义了一个Rectangle结构体，并在主函数中手动为其成员变量赋初值。通过使用大括号括起来的值列表来初始化结构体对象。输出结果与前面的例子相同：

Width: 0
Height: 0

结构体大小

C语言中的struct的大小仅受成员变量的大小和对齐方式影响，而C++中的struct除了受成员变量的大小和对齐方式影响，还有可能受到虚函数表的影响。关于虚函数可以看我后续文章。

下面是一个展示C语言和C++中struct大小差异的例子：

在C语言中，struct的大小仅受成员变量的大小和对齐方式的影响，不会受到其他因素的影响。考虑以下示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

struct Rectangle {
    int width;
    int height;
};

int main() {
    struct Rectangle rectangle;

    printf("Size of Rectangle: %zu bytes\n", sizeof(rectangle));

    return 0;
}

在上述C语言示例中，定义了一个Rectangle结构体，包含两个int类型的成员变量width和height。在主函数中，使用sizeof运算符来获取结构体Rectangle的大小并打印输出。

输出结果为：

Size of Rectangle: 8 bytes

在这个例子中，width和height各占4个字节，所以Rectangle结构体的大小为8字节。

而在C++中，struct除了受成员变量的大小和对齐方式的影响，还有可能受到虚函数表的影响。考虑以下示例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

struct Shape {
    virtual void draw() {
        std::cout << "Drawing a shape." << std::endl;
    }
};

struct Rectangle : public Shape {
    int width;
    int height;
};

int main() {
    Rectangle rectangle;

    std::cout << "Size of Rectangle: " << sizeof(rectangle) << " bytes" << std::endl;

    return 0;
}

在上述C++示例中，定义了一个Shape结构体，其中包含一个虚函数draw()。然后定义了一个Rectangle结构体，通过公共继承从Shape继承，并添加了两个int类型的成员变量width和height。

在主函数中，创建了一个Rectangle对象并使用sizeof运算符获取其大小并打印输出。

输出结果为：

Size of Rectangle: 16 bytes

在这个例子中，除了width和height各占4个字节，还会有额外的字节用于存储虚函数表指针，以便支持多态性。因此，Rectangle结构体的大小为16字节。

这个例子展示了C++中的struct可能受到虚函数表的影响，使得其大小与仅受成员变量大小和对齐方式影响的C语言struct不同。

总结

需要注意的是，尽管C++的struct比C语言的struct功能更强大，但C++中的class更常用于定义对象。C++中的class与struct的唯一区别在于默认访问权限，class中成员默认为private，而struct中成员默认为public。

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