类与对象（上）

#include <iostream>
using namespace std;

struct Stack
{
	//成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;

	//成员函数
	void Init(int n = 4)
	{
		a = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
		if (nullptr == a)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		capacity = n;
		top = 0;
	}

	//入栈
	void Push(int x)
	{
		// 扩容
		//......


		a[top] = x;
		++top;
	}

	//获取栈顶元素
	int Top()
	{
		return a[top - 1];
	}

	//销毁
	void Destroy()
	{
		if (a)
		{
			free(a);
			a = nullptr;
			capacity = 0;
			top = 0;
		}
	}
};

int main()
{
	//struct Stack s1;
	Stack s2;

	s2.Init(10);
	s2.Push(1);
	s2.Push(2);
	s2.Push(3);
	cout << s2.Top() << endl;
	s2.Destroy();

	return 0;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

三、类的定义

cpp 复制代码

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; 类中的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：

在类体中声明和定义类的成员变量和成员函数，这种方式比较简洁，适用于类定义简单的情况。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：

在类体中只声明成员变量和成员函数，具体的定义在类外部进行。这种方式更灵活，适用于类定义复杂或者需要隐藏实现细节的情况。注意：成员函数名前需要加****类名::

哪种方式更好：

如果类的定义比较简单，而且不需要隐藏实现细节，将声明和定义放在类体中是更为便捷的选择，代码更紧凑、易读。

如果类的定义较为复杂，或者成员函数实现涉及比较复杂的逻辑，建议采用声明和定义分离的方式。这样可以更好地进行模块化设计，提高可维护性和可扩展性。

另外，对于一些需要隐藏实现细节的情况，比如封装和继承中，声明和定义分离的方式更有利于实现私有成员的封装。

成员变量命名规则的建议：

cpp 复制代码

// 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。

四、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接口提供给外部的用户使用。在C++中，类的访问限定修饰符用于控制类的成员变量和成员函数对外部的可见性和访问权限。

C++中的访问限定修饰符有三种，分别是public、protected和private：

1. public：

在public部分声明的成员变量和成员函数是对外可见的，任何代码都可以访问。

public成员通常用于定义类的接口，表示对外提供的公共访问接口。

2. protected：

在protected部分声明的成员变量和成员函数对于类的派生类是可见的，但对于外部其他代码不可见。

protected成员通常用于定义类的受保护接口，只能在派生类中访问。

3. private：

在private部分声明的成员变量和成员函数对外部都是不可见的，只有类内部的成员函数可以访问。

private成员通常用于隐藏类的实现细节，实现封装，防止外部直接访问类的私有数据。
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语言)。

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

示例代码：

cpp 复制代码

class MyClass {
public:
	int publicVar; // public成员变量

	void publicFunction() { // public成员函数
		// 可以访问所有成员变量
		privateVar = 10;
	}

protected:
	int protectedVar; // protected成员变量

	void protectedFunction() { // protected成员函数
		// 只能在派生类中访问
	}

private:
	int privateVar; // private成员变量

	void privateFunction() { // private成员函数
		// 只能在当前类中访问
	}
};

【面试题】

问题：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。

4.2 封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

【面试题】

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？

封装是面向对象编程中的一个重要特性，它指的是将数据和操作数据的方法封装在一个类中，并对外部隐藏内部的实现细节，只暴露必要的接口给外部使用。封装有两个关键的概念：

1. 数据隐藏：

封装的核心思想之一是隐藏对象的内部细节，使其对外部不可见。这意味着类的实现细节被封装在类的内部，外部无法直接访问对象的私有数据成员。

数据隐藏提供了一种保护机制，防止外部代码不恰当地修改对象的状态，从而确保对象数据的一致性和安全性。

2. 接口暴露：

封装还包括为外部代码提供访问对象数据和操作对象的方法。这些方法通常称为公共接口或者公有成员函数。

通过公共接口，外部代码可以间接地访问对象的数据和操作对象的行为，同时隐藏了内部的实现细节。

封装的优点有：

提高了代码的可维护性和可重用性，因为修改类的内部实现不会影响外部调用者。

提供了更好的安全性，可以防止外部代码直接访问和修改对象的私有数据。

降低了代码耦合性，使得类和类之间的关系更加清晰和独立。
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，控制哪些方法可以在类外部直接被使用。

五、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;
}

六、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。

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。

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。

cpp 复制代码

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

	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。

3、打个比方。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。

七、类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

cpp 复制代码

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

private:
	char _a;
};

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？如何计算一个类的大小？

7.2 类对象的存储方式猜测

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，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

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？

我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

cpp 复制代码

// 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
{};


int main()
{
	cout << " sizeof(A1)：" << sizeof(A1) << endl;
	cout << " sizeof(A2)：" << sizeof(A2) << endl;
	cout << " sizeof(A3)：" << sizeof(A3) << endl;

	return 0;
}

结论：

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。

7.3 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。

【面试题】

1. 结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？

结构体对齐是指编译器为结构体分配内存时的一种规则，以保证结构体成员在内存中按照一定的规则排列。编译器会根据结构体的成员大小和顺序进行对齐，以提高内存访问的效率。

内存对齐是为了对齐基本数据类型的存储地址，使得存取这些数据时更加高效。未对齐的数据访问会影响性能，甚至引发硬件报错（硬件上从整数倍位置开始读）。

2. 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？

在C/C++中，可以使用`#pragma pack(n)`指令或者`attribute((aligned(n)))`属性来指定结构体的对齐参数。例如，`#pragma pack(4)`会将结构体按照4字节对齐。

可以按照任意字节对齐，只要是2的幂次方即可。但要注意对齐过度可能会造成内存浪费，对齐不足可能会影响访问速度。

3. 什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景？

大小端是指在存储多字节数据时，起始地址较小的字节的存储位置是高位字节还是低位字节的一种存储顺序。大端模式将高位字节存储在起始地址，而小端模式则相反。

在C/C++中，可以通过以下代码片段来测试机器的大小端：
cpp 复制代码
#include <iostream>

int main() 
{
	int num = 1;
	if (*(char*)&num == 1) 
	{
		std::cout << "Little Endian" << std::endl;
	}
	else 
	{
		std::cout << "Big Endian" << std::endl;
	}

	return 0;
}
在`main()`函数中，首先定义了一个整型变量`num`并赋值为1。

然后通过`*(char*)&num`这样的操作，将`num`的地址强制转换为字符型指针，再对该指针取值，获取存储在`num`中的第一个字节（最低位字节）的内容。

如果获取到的内容为1，说明机器是小端模式，因为在小端模式下，最低位字节存储在起始地址，所以`num`的值为1时，取出的就是1。

如果获取到的内容不是1，说明机器是大端模式，因为在大端模式下，最高位字节存储在起始地址，所以`num`的值为1时，取出的并不是1。

在网络通信中，由于不同设备的大小端可能不同，需要考虑大小端的问题，采用统一的网络字节序（大端模式），如使用`htons`和`htonl`等函数进行字节序转换。

在跨平台开发中，不同平台的大小端可能不同，需要处理好字节序转换的问题，避免数据解析错误。

八、类成员函数的this指针

8.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date：

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。

8.2 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。

【面试题】

1. this指针存在哪里？

在C++中，每个类的非静态成员函数都有一个隐含的指向当前对象的指针，这个指针就是this指针。当调用一个成员函数时，编译器会将当前对象的地址传递给该成员函数，并将该地址存储在this指针中。因此，this指针是在每次调用成员函数时动态生成的，并随着函数调用的结束而销毁。所以，this指针存储在栈区。

2. this指针可以为空吗？

this指针一般情况下不会为空，因为它指向当前对象实例的地址。在成员函数内部，如果使用this指针访问成员变量或调用成员函数，而当前对象实例是空指针（即未初始化或已释放），可能会导致未定义行为，甚至程序崩溃。
但在某些特殊情况下，this指针有可能为空，例如：

在成员函数的初始化列表中直接访问成员变量，此时this指针可能为空。

当基类指针或引用指向派生类对象时，如果通过基类指针或引用调用派生类成员函数，this指针可能为空。此时需要谨慎处理，避免访问空指针导致的问题。

3. 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
cpp 复制代码
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}
在上述程序中，虽然指针p被明确定义为nullptr（空指针），但Print()函数只是简单地输出一行字符串，而没有尝试访问任何对象成员变量或其他需要对象实例存在的资源，所以即使通过空针调用Print()函数也是安全的。

所以，正确的答案是 C、正常运行。

4. 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
cpp 复制代码
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();
	return 0;
}
在上述代码中，存在一个指针p被明确定义为nullptr（空指针），然后对该空指针调用PrintA()成员函数。在PrintA()函数中，试图输出成员变量_a的值，但由于p指针指向空，访问成员变量将导致未定义行为。

具体来说，在操作空指针上访问成员变量_a时，由于p指针为空，无法访问对象实例化的成员变量，这可能会导致程序崩溃或产生其他意想不到的结果。

因此，在这种情况下，尝试通过空指针p访问对象的成员变量将导致未定义行为，最终可能导致程序崩溃。因此，该程序的运行结果是 B、运行崩溃。

8.3 C语言和C++实现Stack的对比

1. C语言实现

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

typedef int DataType;

typedef struct Stack
{
	DataType* array;
	int capacity;
	int size;
}Stack;

//初始化
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;
}

//销毁
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->array)
	{
		free(ps->array);
		ps->array = NULL;
		ps->capacity = 0;
		ps->size = 0;
	}
}

//扩容
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;
	}
}

//入栈
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
	assert(ps);
	CheckCapacity(ps);
	ps->array[ps->size] = data;
	ps->size++;
}

//判断是否为空
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return 0 == ps->size;
}

//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
	if (StackEmpty(ps))
		return;

	ps->size--;
}

//获取栈顶元素
DataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->array[ps->size - 1];
}

//获取栈中元素个数
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

cpp 复制代码

#include <iostream>

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;
}

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哪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。