C++类和对象(上)

BS_Li2025-04-28 9:54

目录

类的定义

类定义格式

  1. 在下面的代码中，class为定义类的关键字，Stack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。类体中的内容称为类的成员：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成员函数。
  2. 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，如成员变量前面或后面 加_或着m开头，注意C++中这个并不是强制的，只是一些惯例，具体看公司要求。
  3. 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，一般情况下我们还是推荐用class定义类。
  4. 定义在类里面的成员函数默认为inline（内联函数）。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;
//1 4
class Stack
{
public:
	//成员函数
	void Init(int n = 4)
	{
		arr = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
		if (arr == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		capacity = n;
		top = 0;
	}

	void Push(int x)
	{
		//扩容
		//...
		arr[top++] = x;
	}

	int Top()
	{
		assert(top > 0);
		return arr[top - 1];
	}

	void Destory()
	{
		free(arr);
		arr = nullptr;
		capacity = top = 0;
	}

private:
	//成员变量
	int* arr;
	int capacity;
	int top;
}; //分号不能省略

int main()
{
	Stack st;
	st.Init();
	st.Push(1);
	st.Push(2);
	st.Push(3);

	cout << st.Top() << endl;

	st.Destory();

	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
//2
class Date
{
public:
	//成员函数
	void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	//成员变量
	//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 m 开头
	int _year; // _year  year_  m_year
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d;
	d.Init(2025, 4, 24);

	return 0;
}
cpp 复制代码 
//3
//C++将struct升级成了类
//1. 类里面可以定义函数
//2. struct的名称就可以代表类型
//对于C
typedef struct ListNodeC
{
	struct ListNodeC* next;
	int val;
}LTNode;

//对于C++，不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
struct ListNodeCPP
{
	//成员函数
	void Init(int x)
	{
		next = nullptr;
		val = x;
	}

	//成员变量
	ListNodeCPP* next;
	int val;
};

访问限定符

  1. C++中的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。
  2. 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，继承才能体现出它们的区别。
  3. 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为止，如果 后面没有访问限定符，作用域就到 } ，即类结束。
  4. 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。
  5. 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为public。

类域

  1. 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，在类体外定义成员是需要 使用::作用域操作符指明成员属于哪个类域。
  2. 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arr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，当前域中找不到的arr等成员就会到类域中查找。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class Stack
{
public:
	void Init(int n = 4); //声明

private:
	int* arr;
	int capacity;
	int top;
};

//声明和定义分离，需要指定类域Stack::Init
void Stack::Init(int n)
{
	arr = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
	if (arr == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	capacity = n;
	top = 0;
}

int main()
{
	Stack st;
	st.Init();

	return 0;
}

实例化

实例化概念

  1. 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。
  2. 类是对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，才分配空间。
  3. 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 
#include <iostream>
using namespace std;

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:
	//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, 2, 2);
	d1.Print();

	d2.Init(2021, 3, 8);
	d2.Print();

	return 0;
}

对象大小

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，但是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，其实函数指针是不用存储的，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齐的规则。

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对齐数的整数倍的地址处。
  3. 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。
  4. VS中默认的对齐数为8。
  5. 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数取其小）的整数倍。
  6. 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。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

//计算一下A/B/C实例化的对象是多大
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _ch << endl;
	}
private:
	char _ch;
	int _i;
};

class B
{
public:
	void Print()
	{
		//...
	}
};

class C
{};

int main()
{
	A a;
	B b;
	C c;
	cout << sizeof(a) << endl;//8
	cout << sizeof(b) << endl;//1
	cout << sizeof(c) << endl;//1

	return 0;
}

上面的程序运行后，我们看到没有成员变量的B和C类对象的大小是1， 为什么没有成员变量还要给1个字节呢？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，表示对象存在。

this指针

  1. Date类中有Init和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，该函数是如何知道访问的是d1对象还是d2对象呢？ C++给了一个隐含的this指针解决这里的问题。
  2. 编译器编译后，类的成员函数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)
  3. 类的成员函数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;
  4. C++规定不能在实参和形参的位置显示的写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。
  5. this指针存在栈区或寄存器中。
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)
	{
		//this->_year = year;
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	void Print()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
private:
	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(&d1, 2024, 2, 2);
	d1.Init(2024, 2, 2);
	d1.Print();

	//d2.Init(&d2, 2021, 3, 8);
	d2.Init(2021, 3, 8);
	d2.Print();

	return 0;
}

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 
//程序一
#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}
cpp 复制代码 
//程序二
#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

程序一：

cpp 复制代码 
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();//相当于(*p).Print()
	//这里只是通过p调用Print函数，并没有对p解引用,所以选C
	return 0;
}

程序二:

cpp 复制代码 
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
		//cout << this->_a << endl;
		cout << _a << endl;//对空指针解引用了，所以选B
	}

C++和C语言实现Stack对比

面向对象的三大特性：封装、继承、多态，下面的对比我们可以初步了解封装。

通过下面两份代码对比，我们发现C++实现Stack形态上还是发生了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化。 C++中数据和函数都放到了类里面，通过访问限定符进行了限制，不能再随意通过对象直接修改数据，这是C++封装的⼀种体现，这个是最重要的变化。这里的封装的本质是⼀种更严格规范的管理 ，避免出现乱访问修改的问题。 C++中有一些相对方便的语法，比如Init给的缺省参数会方便很多，成员函数每次不需要传对象地址 ，因为this指针隐含的传递了，方便了很多，使用类型不再需要typedef用类名就很方便。

C实现Stack代码

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

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

void STInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}

void STDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}

void STPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	// 满了，扩容

		if (ps->top == ps->capacity)
		{
			int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
			STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
			if (tmp == NULL)
			{
				perror("realloc fail");
				return;
			}
			ps->a = tmp;
			ps->capacity = newcapacity;
		}
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

bool STEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

void STPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	ps->top--;
}

STDataType STTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!STEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}

int STSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

int main()
{
	ST s;
	STInit(&s);
	STPush(&s, 1);
	STPush(&s, 2);
	STPush(&s, 3);
	STPush(&s, 4);
	while (!STEmpty(&s))
	{
		printf("%d\n", STTop(&s));
		STPop(&s);
	}
	STDestroy(&s);
	return 0;
}

C++实现Stack代码

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

typedef int STDataType;
class Stack
{
public:
	//成员函数
	void Init(int n = 4)
	{
		_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
		if (nullptr == _a)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		_capacity = n;
		_top = 0;
	}

    void Push(STDataType x)
    {
        if (_top == _capacity)
        {
            int newcapacity = _capacity * 2;
            STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity * sizeof(STDataType));
            if (tmp == nullptr)
            {
                perror("realloc fail");
                return;
            }
            _a = tmp;
            _capacity = newcapacity;
        }
        _a[_top++] = x;
    }

    void Pop()
    {
        assert(_top > 0);
        _top--;
    }

    bool Empty()
    {
        return _top == 0;
    }

    int Top()
    {
        assert(_top > 0);
        return _a[_top - 1];
    }

    void Destroy()
    {
        free(_a);
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }

private:
    //成员变量
    STDataType* _a;
    int _capacity;
    int _top;
};
int main()
{
    Stack s;
    s.Init();
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    s.Push(4);
    while (!s.Empty())
    {
        printf("%d\n", s.Top());
        s.Pop();
    }
    s.Destroy();
    return 0;
}
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