C++类和对象(一)

面向过程和面向对象

[面向过程编程（Procedural Programming）](#面向过程编程（Procedural Programming）)

[面向对象编程（Object-Oriented Programming）](#面向对象编程（Object-Oriented Programming）)

一、类的定义

面向过程和面向对象

C 语言是一种典型的面向过程的编程语言，程序的设计主要围绕着函数和数据结构展开，强调的是功能的实现过程。
C++既支持面向过程编程，又支持面向对象编程。面向对象编程的核心概念包括类、对象、封装、继承和多态等，使得程序的组织和设计更加符合现实世界的模型，提高了代码的可维护性和可扩展性。

面向过程编程（Procedural Programming）

面向过程编程是一种以过程为中心的编程思想。在面向过程编程中，程序被看作是一系列的函数或过程的集合，这些函数或过程按照一定的顺序执行，以完成特定的任务。

优点：

性能高效：由于面向过程编程直接按照流程执行任务，不需要过多的对象创建和管理，因此在一些对性能要求较高的场景下，如底层系统编程、嵌入式编程等，具有较高的执行效率。例如在操作系统内核中，对进程调度、内存管理等功能的实现，使用面向过程编程可以更好地优化性能。

逻辑清晰：对于简单的程序逻辑，按照流程逐步实现，代码的逻辑结构清晰易懂，易于理解和维护。比如一个简单的计算两个数之和的程序，使用面向过程编程可以直接定义函数进行计算。

缺点：

可维护性差：当程序规模增大、功能复杂时，面向过程编程的代码可能会变得难以维护和扩展。因为各个函数之间的耦合度较高，修改一个函数可能会影响到其他相关的函数。

代码复用性低：代码的复用通常是通过函数的调用实现，但是对于复杂的功能模块，复用的难度较大，无法很好地对功能进行封装和抽象。

面向对象编程（Object-Oriented Programming）

面向对象编程是一种以对象为中心的编程思想。对象是包含数据(属性)和操作这些数据的方法(行为)的实体。通过将相关的数据和方法封装在一个对象中,实现了数据和操作的一体化。

优点：

可维护性高：将功能封装在对象中，使得对象的内部实现对外界隐藏，降低了模块之间的耦合度。当需要修改功能时，只需要修改相应的对象内部实现，而不会影响到其他不相关的部分。例如，在一个图形界面应用程序中，如果要修改某个按钮的功能，只需要修改该按钮对象对应的方法，而不会影响到其他界面元素。

代码复用性强 ：可以通过继承、多态等特性，方便地实现代码的复用和扩展。例如，创建一个基类 Shape（形状），然后派生出 Circle（圆形）、Rectangle（矩形）等子类，子类可以复用基类的属性和方法，并进行特定的扩展。

灵活性好：面向对象编程支持多态性，使得程序在运行时可以根据对象的实际类型动态地选择执行相应的方法，增加了程序的灵活性和扩展性。

缺点：

性能开销：由于对象的创建、方法调用等操作需要一定的开销，在一些对性能要求极高的场景下，可能会影响程序的执行效率。

学习成本高：面向对象编程的概念和特性相对复杂，对于初学者来说，学习和理解的难度较大。

一、类的定义

类定义格式

• class为定义类的关键字，Data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。

• 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识，如成员变量前⾯或者后⾯加_或者m开头，注意C++中这个并不是强制的，只是⼀些惯例。

• C++中struct也可以定义类，C++兼容C中struct的⽤法，同时struct升级成了类，明显的变化是 struct中可以定义函数，⼀般情况下还是推荐⽤class定义类。

• 定义在类⾯的成员函数默认为inline。
cpp 复制代码
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	// 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量
	// 会加⼀个特殊标识，如_ 或者 m开头
	int _year; // year_ m_year
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d;
	d.Init(2024, 3, 31);
	return 0;
}

类域

• 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。

• 类域影响的是编译的查找规则，下⾯程序中Init如果不指定类域Stack，那么编译器就把Init当成全局函数，那么编译时，找不到array等成员的声明/定义在哪⾥，就会报错。指定类域Stack，就是知道Init是成员函数，当前域找不到的array等成员，就会到类域中去查找。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init(int n = 4);
private:
	// 成员变量
	int* array;
	size_t capacity;
	size_t top;
};
// 声明和定义分离，需要指定类域
void Stack::Init(int n)
{
	array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
	if (nullptr == array)
	{
		perror("malloc申请空间失败");
		return;
	}
	capacity = n;
	top = 0;
}
int main()
{
	Stack st;
	st.Init();
	return 0;
}

二、类的访问限定符及封装

访问限定符

• C++⼀种实现封装的⽅式，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。

• 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，protected和private是⼀样的，以后继承章节才能体现出他们的区别。

• 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定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private

• struct默认为public

• ⼀般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别⼈使⽤的成员函数会放为public。

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，控制哪些方法可以在类外部直接被使用。

三、实例化

实例化概念

• ⽤类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。

• 类是对象进行⼀种抽象描述，是⼀个模型⼀样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，⽤类实例化出对象时，才会分配空间。

• 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。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，设计图规划了有多少个房间，房间大小功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住⼈，⽤设计图修建出房⼦，房⼦才能住⼈。同样类就像设计图⼀样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据。

对象大小

分析⼀下类对象中哪些成员呢？类实例化出的每个对象，都有独⽴的数据空间，所以对象中肯定包含成员变量，那么成员函数是否包含呢？⾸先函数被编译后是⼀段指令，对象中没办法存储，这些指令存储在⼀个单独的区域(代码段)，那么对象中非要存储的话，只能是成员函数的指针。再分析⼀下，对象中是否有存储指针的必要呢，Date实例化d1和d2两个对象，d1和d2都有各⾃独⽴的成员变量 _year/_month/_day存储各⾃的数据，但是d1和d2的成员函数Init/Print指针却是⼀样的，存储在对象中就浪费了。如果⽤Date实例化100个对象，那么成员函数指针就重复存储100次，太浪费了。其实函数指针是不需要存储的，函数指针是⼀个地址，调⽤函数被编译成汇编指令[call地址]，其实编译器在编译链接时，就要找到函数的地址，不是在运行时找，只有动态多态是在运行时找，就需要存储函数地址。

上⾯我们分析了对象中只存储成员变量，C++规定类实例化的对象也要符合内存对⻬的规则。

内存对齐规则

内存对齐规则和C语言的一模一样参考文章：C语言计算内存对齐

第⼀个成员在与结构体偏移量为0的地址处。

• 其他成员变量要对⻬到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。

• 注意：对⻬数=编译器默认的⼀个对齐数与该成员大小的较小值。

•VS中默认的对⻬数为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⻬参数取最小）的整数倍。

• 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对⻬到⾃⼰的最⼤对⻬数的整数倍处，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。

没有成员变量要给1个字节，因为如果⼀个字节都不给，怎么表⽰对象存在过呢！所以这⾥给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。

四、this指针

this指针的特性

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和 Print函数时，该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢？那么这⾥就要看到C++给了⼀个隐含的this指针解决这里的问题

• 编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加⼀个当前类类型的指针，叫做this指针。比如Date类的Init的真实原型为，void Init(Date* const this, int year, int month, int day) • 类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this- >_year = year;

• C++规定不能在实参和形参的位置显的写this指针(编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显示使用this指针。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
	// void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		// 编译报错：error C2106: "=": 左操作数必须为左值
		// this = nullptr;
		// this->_year = year;
		_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
private:
	// 这⾥只是声明，没有开空间
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	// Date类实例化出对象d1和d2
	Date d1;
	Date d2;
	d1.Init(2024, 7, 1);  // d1.Init(&d1, 2024, 7, 1);
	d1.Print();           // d1.Print(&d1);
	d2.Init(2024, 7, 10); // d2.Init(&d2, 2024, 7, 10);
	d2.Print();           // d2.Print(&d2);
	return 0;
}