c++ 类和对象(上)

91刘仁德2025-09-03 6:07

类和对象（上）

  • [1. 面向过程和面向对象初步认识](#1. 面向过程和面向对象初步认识)
    • [**1.1 面向过程（Procedure-Oriented）**](#1.1 面向过程（Procedure-Oriented）)
    • [1.2 面向对象（Object-Oriented）](#1.2 面向对象（Object-Oriented）)
    • [1.3 对比总结](#1.3 对比总结)
  • [2. 类的引入](#2. 类的引入)
    • [**2.1 C语言struct的局限性**](#2.1 C语言struct的局限性)
    • [2.2 C++ 对 struct 的扩展（支持定义函数）](#2.2 C++ 对 struct 的扩展（支持定义函数）)
  • [3. 类的定义](#3. 类的定义)
  • [4. 类的访问限定符及封装](#4. 类的访问限定符及封装)
    • [4.1 访问限定符](#4.1 访问限定符)
    • [C++ 中 struct 和 class 的区别是什么？](#C++ 中 struct 和 class 的区别是什么？)
    • [4.2 封装](#4.2 封装)
  • [5. 类的作用域](#5. 类的作用域)
  • [6. 类的实例化](#6. 类的实例化)
  • [7. 类对象模型](#7. 类对象模型)
  • [8. this 指针](#8. this 指针)
    • [8.1 this 指针的引出](#8.1 this 指针的引出)
    • [8.2 this指针的特性](#8.2 this指针的特性)
    • [8.3 C语言和C++实现Stack的对比](#8.3 C语言和C++实现Stack的对比)
      • [1. C语言实现Stack的特点](#1. C语言实现Stack的特点)
      • [2. C++ 实现 Stack 的特点](#2. C++ 实现 Stack 的特点)

1. 面向过程和面向对象初步认识

核心差异 ：

面向过程（C语言）与面向对象（C++）的本质区别，在于解决问题的"思维范式"不同------前者关注"步骤流程"，后者关注"对象交互"。

1.1 面向过程（Procedure-Oriented）

  • 核心思想：将求解问题的过程拆解为"若干个函数步骤"，通过函数调用按顺序执行步骤，最终完成任务。

  • 关注点："怎么做"（步骤），数据与操作数据的函数是分离的。

  • 示例（用C语言实现栈的入栈操作） ：

    cpp 复制代码 
    // 数据结构（栈）与操作函数分离
typedef struct Stack {
    int* _array;
    int _capacity;
    int _size;
} Stack;

// 初始化栈（函数需显式传入栈对象指针）
void StackInit(Stack* s, int capacity) {
    s->_array = (int*)malloc(sizeof(int)*capacity);
    s->_capacity = capacity;
    s->_size = 0;
}

// 入栈（函数需显式传入栈对象指针）
void StackPush(Stack* s, int data) {
    s->_array[s->_size++] = data;
}

int main() {
    Stack s;
    // 需手动调用函数，按"初始化→入栈"步骤执行
    StackInit(&s, 10);
    StackPush(&s, 1);
    return 0;
}
``

  • 特点：逻辑直观，但数据与函数分离，当项目规模扩大时（如多个相似数据结构），代码复用性、维护性较差。

1.2 面向对象（Object-Oriented）

  • 核心思想：将问题中的实体抽象为 "对象"，每个对象包含 "数据（属性）" 和 "操作数据的行为（方法）"，通过对象之间的交互完成任务。
  • 关注点："谁来做"（对象），数据与方法封装在对象内部，对外隐藏实现细节。
  • 示例（用 C++ 实现栈的入栈操作，后续会展开）：
cpp 复制代码 
class Stack {
public:
    // 方法（操作数据的行为）与数据封装在一起
    void Init(int capacity) {
        _array = new int[capacity];
        _capacity = capacity;
        _size = 0;
    }
    void Push(int data) {
        _array[_size++] = data;
    }
private:
    // 数据（属性）
    int* _array;
    int _capacity;
    int _size;
};

int main() {
    Stack s;
    // 对象直接调用自身方法，无需显式传递指针
    s.Init(10);
    s.Push(1);
    return 0;
}
  • 特点：封装性、复用性、扩展性强，适合大型项目开发（如游戏引擎、操作系统）。

1.3 对比总结

维度 面向过程（C） 面向对象（C++）
核心单元 函数 对象（数据 + 方法）
数据与方法关系 分离，函数需显式传数据指针 封装，方法属于对象内部
关注点 步骤流程（怎么做） 实体交互（谁来做）
适用场景 小型项目、底层开发 （如驱动） 中大型项目、复杂系统（如 APP）

2. 类的引入

核心作用 ：

C++中的class（类）是"对象的模板"，用于定义对象的"属性（数据）"和"方法（行为）"，是实现"封装"的核心语法。C++兼容C语言的struct，但扩展了struct的功能------允许在其中定义函数，不过更推荐用class实现面向对象。

2.1 C语言struct的局限性

C语言的struct仅能定义"数据成员"，无法定义"函数成员"，操作结构体的函数必须在外部定义，导致数据与操作分离：

c 复制代码 
// C语言struct：仅含数据，无函数
typedef struct Stack {
    int* _array;
    int _capacity;
    int _size;
} Stack;

// 操作函数需在外部定义，需显式传递结构体指针
void StackInit(Stack* s, int capacity) {
    s->_array = (int*)malloc(sizeof(int)*capacity);
}

2.2 C++ 对 struct 的扩展（支持定义函数）

C++ 兼容 C 语言的struct，但允许在struct内部定义函数（方法），实现 "数据与方法的封装"，示例如下：

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

typedef int DataType;
// C++的struct：可定义数据和函数
struct Stack {
    // 方法1：初始化栈（无需显式传指针，this指针隐式传递）
    void Init(size_t capacity) {
        _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
        if (nullptr == _array) {  // nullptr是C++的空指针常量，比NULL更安全
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        }
        _capacity = capacity;
        _size = 0;
    }

    // 方法2：入栈（接收const引用，避免拷贝开销）
    void Push(const DataType& data) {
        // 注：原代码未处理扩容，实际需判断_size是否等于_capacity，此处暂按原代码保留
        _array[_size] = data;
        ++_size;
    }

    // 方法3：获取栈顶元素
    DataType Top() {
        return _array[_size - 1];  // 需确保_size>0，否则越界
    }

    // 方法4：销毁栈（释放内存，避免泄漏）
    void Destroy() {
        if (_array) {
            free(_array);
            _array = nullptr;  // 置空，避免野指针
            _capacity = 0;
            _size = 0;
        }
    }

    // 数据成员（属性）
    DataType* _array;   // 栈数组
    size_t _capacity;   // 栈容量
    size_t _size;       // 栈中有效元素个数
};

int main() {
    Stack s;  // 创建struct对象（C++中struct也是类，对象创建方式与class一致）
    s.Init(10);       // 对象调用方法：隐式传递this指针，指向s
    s.Push(1);        // 入栈1
    s.Push(2);        // 入栈2
    s.Push(3);        // 入栈3
    cout << s.Top() << endl;  // 输出栈顶3
    s.Destroy();      // 销毁栈，释放内存
    return 0;
}
  • 更推荐使用class来代替struct来实现类（原因后面会讲）

3. 类的定义

核心语法框架 ：

C++中通过 class 关键字定义类，类体包含"成员变量（属性）"和"成员函数（方法）"，定义结束必须加分号 （与结构体语法一致，但语义更侧重封装）。

基础语法格式：

cpp 复制代码 
class ClassName {  // ClassName 为类名，需符合标识符命名规则
public:
    // 公有的成员函数（对外暴露的接口）
    返回值类型 函数名(参数列表);
private:
    // 私有的成员变量（内部数据，外部不可直接访问）
    数据类型 变量名;
};  // 分号必须加，否则编译报错
  • public/private 是访问限定符：控制成员在类外部的访问权限（后续会详细展开，此-处先用于区分接口与数据）。
  • 成员变量：描述类的 "属性"（如日期类的年、月、日）。
  • 成员函数：描述类的 "行为"（如日期类的初始化、打印日期）。

3.1 类的两种定义方式（附示例）

方式1：声明与定义全部放在类体中

特点 ：

成员函数的声明和实现都在类内部，编译器可能将其视为内联函数（适合函数体简短的场景，如简单的赋值、取值），但函数体复杂时不推荐（会导致类体臃肿）。

示例：日期类（Date）的完整内定义

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

// 类的声明与定义全部放在类体中
class Date {
public:
    // 成员函数1：初始化日期（类内定义，可能被视为内联函数）
    void Init(int year, int month, int day) {
        // 用 _ 前缀区分成员变量与形参
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }

    // 成员函数2：打印日期（类内定义）
    void Print() {
        cout << _year << "年" << _month << "月" << _day << "日" << endl;
    }

private:
    // 成员变量（私有，外部无法直接修改）
    int _year;  // 年
    int _month; // 月
    int _day;   // 日
};

// 测试代码
int main() {
    Date d1;          // 创建Date类对象d1
    d1.Init(2024, 5, 20);  // 调用成员函数初始化
    d1.Print();       // 调用成员函数打印 → 输出：2024年5月20日
    return 0;
}

注意：若类内成员函数体较长（如包含复杂的日期合法性校验），编译器可能不会将其视为内联函数，且会导致类定义可读性下降，因此仅推荐简单函数用此方式。

方式2：类声明放.h文件，成员函数定义放.cpp文件

特点：

  • 分离"接口"与"实现"：.h文件存放类的声明（成员函数签名、成员变量声明），供外部引用；.cpp文件存放成员函数的实现，隐藏内部逻辑。
  • 适合大型项目：避免重复定义（.h文件需加头文件保护），提升代码可维护性（修改实现无需改动.h文件）。

示例：日期类的分离式定义

步骤1：创建 Date.h（类声明文件）

cpp 复制代码 
// Date.h
// 类的声明（仅暴露接口和成员变量结构，不包含实现）
class Date {
public:
    // 成员函数声明（仅签名，无函数体）
    void Init(int year, int month, int day);  // 初始化日期
    void Print();                             // 打印日期
    bool IsLeapYear();                        // 判断是否为闰年（新增示例函数）

private:
    // 成员变量声明
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

步骤 2：创建 Date.cpp（成员函数实现文件）

cpp 复制代码 
// Date.cpp
#include "Date.h"  // 包含类声明头文件
#include <iostream>
using namespace std;

// 成员函数实现：需加 "类名::" 作用域限定符，表明属于Date类
void Date::Init(int year, int month, int day) {
    // 此处可添加日期合法性校验（如月份1-12，天数根据月份调整）
    _year = (year >= 1 ? year : 1);
    _month = (month >= 1 && month <= 12 ? month : 1);
    _day = (day >= 1 && day <= 31 ? day : 1);  // 简化校验，实际需结合月份
}

void Date::Print() {
    cout << _year << "年" << _month << "月" << _day << "日" << endl;
}

bool Date::IsLeapYear() {
    // 闰年规则：能被4整除且不能被100整除，或能被400整除
    return (_year % 4 == 0 && _year % 100 != 0) || (_year % 400 == 0);
}

步骤 3：创建 main.cpp（测试文件）

cpp 复制代码 
// main.cpp
#include "Date.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    Date d2;
    d2.Init(2020, 2, 29);  // 2020是闰年，2月有29天
    d2.Print();            // 输出：2020年2月29日
    
    if (d2.IsLeapYear()) {
        cout << d2._year << "是闰年" << endl;  // 错误！_year是private，外部无法直接访问
        // 正确写法：无需直接访问_year，函数内部已使用成员变量
        cout << "该日期所在年份是闰年" << endl;  // 输出：该日期所在年份是闰年
    }
    return 0;
}

关键细节：

  • 成员函数实现时必须加 类名::（如 Date::Init），否则编译器会认为是全局函数，导致 "未定义" 错误。
  • 头文件保护（#ifndef/#define/#endif 或者 #pragma once）：防止多个.cpp 文件包含同一.h 时，类被重复声明，引发编译错误。
  • 此方式是工业界标准写法，推荐优先使用。

3.2 成员变量命名规则（避免歧义）

核心问题 ：

若成员变量与函数形参同名，会导致"命名冲突"------编译器无法区分赋值语句中的"左值是成员变量还是形参"，如下列错误示例：

错误示例：命名冲突

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    void Init(int year) {
        year = year;  // 歧义：左、右两边都是形参year，成员变量year未被赋值
    }
private:
    int year;  // 成员变量与形参同名
};

规则 1：成员变量加 _ 前缀（最常用）

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    // 形参year，成员变量_year，无歧义
    void Init(int year, int month, int day) {
        _year = year;    // 明确：将形参year赋值给成员变量_year
        _month = month;
        _day = day;
    }
private:
    int _year;  // _前缀标识成员变量
    int _month;
    int _day;
};

规则 2：成员变量加 m 前缀（微软 MFC 框架常用）

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    void Init(int year, int month, int day) {
        mYear = year;    // m前缀标识成员变量（m=member）
        mMonth = month;
        mDay = day;
    }
private:
    int mYear;   // m前缀
    int mMonth;
    int mDay;
};

其他方式也可以的只要你能区分就可以

核心原则：

团队内部统一命名规则，避免个人风格差异导致代码可读性下降

4. 类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

核心作用 ：

访问限定符是C++实现"封装"的核心语法工具，通过控制类成员（变量/函数）在类外部的访问权限，隐藏内部实现细节，仅对外暴露安全的交互接口。

访问限定符分类与规则 ：

C++提供3种访问限定符：public（公开）、protected（保护）、private（私有），具体规则如下：

  1. public（公开成员）

    • 类外可直接访问（通过"对象.成员"或"对象->成员"语法）。
    • 用途：定义对外暴露的接口（如初始化函数、数据获取函数），是外部与类交互的唯一通道。

  2. protected（保护成员）与 private（私有成员）

    • 类外不可直接访问 （编译报错），仅能在类内部（成员函数中）或子类中（protected 专属，后续继承章节讲解）访问。
    • 用途：定义类的内部数据或辅助函数（如成员变量、内部校验逻辑），避免外部非法修改。
    • 现阶段区别：在"类与对象"阶段，protected 和 private 功能完全一致（仅在继承时体现差异）。

  3. 权限作用域规则

    • 访问权限的生效范围从"当前访问限定符出现的位置"开始，到"下一个访问限定符出现"或"类定义结束（}）"为止。

    • 示例：

      cpp 复制代码 
      class Date {
public:
    // public权限开始：以下成员类外可访问
    void Init(int year, int month, int day) {
        _year = year;  // 类内部可访问private成员
    }
    void Print() {
        cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
    }
private:
    // private权限开始：以下成员类外不可访问
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};  // 类结束，权限作用域终止

  4. 类与结构体的默认访问权限差异

    • class 关键字：默认访问权限为 private（需显式加 public 才能暴露接口）。
    • struct 关键字：默认访问权限为 public（兼容 C 语言结构体的 "全公开" 特性）。
    • 示例对比：
cpp 复制代码 
// class默认private：_year类外不可访问，Init需显式public
class A {
    int _year;  // 默认private，类外无法访问
public:
    void Init(int y) { _year = y; }  // 显式public，类外可调用
};

// struct默认public：_year和Init类外均可访问
struct B {
    int _year;  // 默认public，类外可直接修改（b._year = 2024;）
    void Init(int y) { _year = y; }  // 默认public，类外可调用
};
  1. 底层本质
    • 访问限定符仅在编译阶段生效（编译器检查访问权限，非法访问报错）。
    • 当代码编译为二进制文件后，内存中成员的存储位置无任何权限标识（即运行时无访问限制）------ 本质是 "编译期语法层面的管理"。

C++ 中 struct 和 class 的区别是什么？

  • 核心区别 1：默认访问权限不同（类与对象阶段）：
    • struct 定义的类：默认访问权限为 public（兼容 C 语言结构体）。
    • class 定义的类：默认访问权限为 private（符合面向对象封装思想）。
  • 其他区别（后续章节）：
    • 继承时：struct 默认是 public 继承，class 默认是 private 继承。
    • 模板参数列表：class 可用于定义模板类型参数，struct 也可，但早期 C++ 中 class 更常用（现代 C++ 中两者无差异）。
  • 示例验证：
cpp 复制代码 
struct S {
    int a;  // 默认public，类外可访问
};
class C {
    int b;  // 默认private，类外不可访问
};

int main() {
    S s; s.a = 10;  // 合法（struct默认public）
    C c; c.b = 20;  // 编译报错（class默认private）
    return 0;
}

4.2 封装

核心定义 ：

封装是面向对象三大特性（封装、继承、多态）的基础，指"将数据（属性）和操作数据的方法（行为）有机结合，隐藏对象的内部实现细节，仅对外公开接口与对象交互"。

本质 ：

封装不是"隐藏所有内容"，而是一种管理策略------通过"隐藏细节、暴露接口"，降低用户使用成本，同时保证数据安全性（避免外部非法修改）。

生活中的封装示例（电脑）：

  • 隐藏的细节：CPU的运算逻辑、主板的线路布局、内存的读写机制等（普通用户无需关心）。
  • 暴露的接口：开关机键、键盘/鼠标接口、USB插孔、显示器接口等（用户通过这些接口与电脑交互）。
  • 优势：用户无需学习硬件原理，只需掌握接口使用（如按开机键启动、用键盘输入），即可完成日常操作；同时硬件细节被保护（如避免用户误触主板线路导致损坏）。

C++中封装的实现方式 ：

通过"类 + 访问限定符"实现封装，具体分3步：

  1. 数据与方法有机结合
    将描述对象的"数据"（成员变量）和"操作数据的方法"（成员函数）定义在同一个类中，形成逻辑整体。
    示例：
cpp 复制代码 
   class Stack {
   public:
       // 操作数据的方法（与数据封装在一起）
       void Init(size_t capacity) {
           _array = new int[capacity];
           _capacity = capacity;
           _size = 0;
       }
       void Push(int data) {
           if (_size == _capacity) { /* 扩容逻辑 */ }
           _array[_size++] = data;
       }
   private:
       // 数据（与方法封装在一起）
       int* _array;
       size_t _capacity;
       size_t _size;
   };
  1. 隐藏内部细节（private/protected）
    将 "数据"（如 _array、_capacity）和 "内部辅助方法"（如扩容的具体逻辑）定义为 private，类外无法直接访问，避免非法修改（如用户直接修改_size导致栈逻辑混乱）。
  2. 暴露安全接口（public）
    将 "用户需要的交互操作"（如 Init 初始化、Push 入栈、Top 获取栈顶）定义为 public，用户通过这些接口与对象交互，无需关心内部实现（如无需知道 _array 是用 new 还是 malloc 分配的）。
    封装的优势：
  3. 安全性：内部数据仅能通过预设接口修改，避免非法操作（如栈的 _size 只能通过 Push/Pop 间接修改，防止用户直接赋值为负数）。
  4. 易用性：用户只需关注接口用法（如调用 Push 即可入栈），无需理解内部逻辑（如扩容算法）。
  5. 可维护性：内部实现修改时（如将 new 改为 malloc），只要接口签名不变，外部代码无需修改（如用户调用 Push 的方式不变）。

5. 类的作用域

核心定义 ：

类是一个独立的作用域（Class Scope） ，类的所有成员（成员变量、成员函数）都属于这个作用域。在类体外定义成员函数时，必须通过 ::（作用域操作符）明确指定该函数所属的类域，否则编译器会将其视为全局函数，导致编译错误。

类作用域的体现：

  1. 类体内访问 ：类的成员函数在类内部可以直接访问同类的其他成员（无论 public/private），无需额外指定作用域（编译器默认在当前类域内查找）。
  2. 类体外访问 ：
    • 访问成员变量：需通过"对象.成员变量"或"对象指针->成员变量"（且成员需为 public）。
    • 定义成员函数：必须加"类名::"，明确函数所属类域。

示例：类体外定义成员函数

以 Person 类为例，展示类作用域的使用：

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

// 1. 类定义（类域：Person）
class Person {
public:
    // 成员函数声明（属于Person类域）
    void PrintPersonInfo();
    void SetPersonInfo(const char* name, const char* gender, int age);
private:
    // 成员变量（属于Person类域）
    char _name[20];
    char _gender[3];
    int _age;
};

// 2. 类体外定义成员函数：必须加 Person:: 指明类域
void Person::SetPersonInfo(const char* name, const char* gender, int age) {
    // 类体外定义的成员函数，仍可直接访问private成员（属于同一类域）
    strncpy(_name, name, sizeof(_name)-1);  // 安全拷贝字符串，留'\0'位置
    _name[sizeof(_name)-1] = '\0';          // 确保字符串结束
    strncpy(_gender, gender, sizeof(_gender)-1);
    _gender[sizeof(_gender)-1] = '\0';
    _age = age;
}

// 2. 类体外定义成员函数：加 Person:: 指明类域
void Person::PrintPersonInfo() {
    // 直接访问private成员，输出信息
    cout << "姓名：" << _name << "，性别：" << _gender << "，年龄：" << _age << endl;
}

// 测试代码
int main() {
    Person p;
    // 调用类成员函数（通过对象.函数名，编译器自动关联Person类域）
    p.SetPersonInfo("张三", "男", 20);
    p.PrintPersonInfo();  // 输出：姓名：张三，性别：男，年龄：20

    // 错误示例：类体外直接访问private成员（编译报错，无访问权限+未指定对象）
    // cout << p._name << endl;  // error：_name是private，类外不可访问
    // Person::PrintPersonInfo(); // error：非静态成员函数需通过对象调用

    return 0;
}

关键注意点：

  • 若类体外定义成员函数时省略 类名::，编译器会认为是 "全局函数"，而全局函数无法访问类的 private 成员，且函数签名与类内声明不匹配，会报 "未定义的引用" 错误。
  • 类作用域与全局作用域、局部作用域是独立的，即使成员名与全局变量同名，类内也优先使用类域的成员（如类内_age与全局 int _age 不冲突）。

6. 类的实例化

核心定义 ：

类的实例化是"用类类型创建具体对象的过程"。类本身只是一个"抽象的模板"（描述对象有哪些成员），不占用实际内存；只有实例化出的对象，才会分配内存存储成员变量（成员函数不占对象内存，存于代码段）。

类与对象的关系 ：

类是"模板"，对象是"模板实例化的产物"------类比建筑设计图（类）与实际建造的房子（对象）：设计图仅描述房子的结构（墙、窗、门），不占用空间；按设计图建造的房子才是实体，占用物理空间。

类实例化的3个关键特性：

  1. 类不占内存，对象占内存
    • 类仅定义成员的"结构和声明"，编译后不分配内存；
    • 对象会根据类的成员变量大小，分配对应的内存（成员函数存于代码段，所有对象共享，不单独占用对象内存）。
    • 错误示例：直接操作类的成员变量（编译失败）：
cpp 复制代码 
   class Person {
   public:
       int _age;
   };

   int main() {
       // 错误：Person是类（模板），无内存，无法直接访问_age
       Person._age = 100;  // error C2059: 语法错误:"."
       return 0;
   }

正确示例：实例化对象后操作成员变量：

cpp 复制代码 
  int main() {
    Person p;  // 实例化对象p，分配内存存储_age
    p._age = 100;  // 正确：对象p有内存，可访问public成员_age
    cout << p._age << endl;  // 输出：100
    return 0;
}
  1. 一个类可实例化多个对象
    同一类的不同对象，共享类的成员函数（代码段），但拥有独立的成员变量（内存空间），修改一个对象的成员变量不会影响其他对象。
    示例：
cpp 复制代码 
int main() {
    Person p1, p2;  // 实例化两个对象p1、p2
    p1._age = 20;   // p1的_age赋值20
    p2._age = 30;   // p2的_age赋值30（与p1独立）
    cout << "p1年龄：" << p1._age << endl;  // 输出：20
    cout << "p2年龄：" << p2._age << endl;  // 输出：30
    return 0;
}
  1. 实例化是 "创建实体" 的过程
    类的实例化本质是 "根据类模板，在内存中开辟空间，初始化成员变量" 的过程。即使类没有显式的初始化函数，实例化对象时也会分配内存（成员变量默认初始化，如 int 为随机值）。
    类比示例：
    • 类（如 "学生信息表模板"）：仅规定有 "姓名、学号、年龄" 等字段；
    • 实例化对象（如 "学生张三的信息表"）：在模板基础上填写具体数据，形成实体表格，占用纸张（内存）空间。
      类与对象的内存占用补充：
  • 对象的内存大小 = 所有成员变量的大小之和（内存对齐规则需考虑，后续章节讲解）；
  • 成员函数不占用对象内存，所有对象共享同一套成员函数（存于代码段），通过 this 指针区分不同对象（后续章节讲解）。
    示例（64 位系统，内存对齐为 8 字节）：

7. 类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

核心问题 ：

类包含"成员变量"和"成员函数"，但类对象的大小并非两者之和------需明确对象中实际存储的内容，才能计算大小。

示例分析 ：

以包含成员变量和成员函数的类为例：

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

class A {
public:
    // 成员函数：打印成员变量_a
    void PrintA() {
        cout << _a << endl;
    }
private:
    // 成员变量：char类型，占1字节
    char _a;
};

int main() {
    A obj;
    // 计算对象大小：输出1字节（仅包含成员变量_a，不含成员函数）
    cout << "sizeof(A) = " << sizeof(A) << endl;    // 结果：1
    cout << "sizeof(obj) = " << sizeof(obj) << endl;// 结果：1
    return 0;
}

关键结论 ：

类对象的大小 = 类中成员变量的大小之和（需遵循内存对齐规则），成员函数不占用对象内存 ------ 所有对象共享同一套成员函数（存储在代码段），无需每个对象单独存储，避免空间浪费。

7.2 类对象的存储方式猜测与验证

三种存储方式猜测 ：

针对"类对象如何存储成员变量和成员函数"，存在三种可能的设计思路，需通过代码验证实际存储方式：

猜测1：对象中包含所有成员（变量+函数）

  • 逻辑：每个对象独立存储成员变量和成员函数，函数随对象创建而复制。
  • 缺陷：若一个类实例化1000个对象，会保存1000份相同的成员函数代码，导致严重的内存浪费（函数代码重复存储），不符合工程设计效率要求。

猜测2：对象中存储成员变量 + 成员函数地址

  • 逻辑：成员函数统一存于代码段，对象中仅存储成员变量和指向函数的地址（指针），通过地址调用函数。
  • 缺陷：虽解决了函数重复存储问题，但每个对象需额外存储函数地址（如64位系统中指针占8字节），增加了对象的内存开销------对于无成员变量的类，对象仍需存储地址，不符合"最小内存占用"原则。

猜测3：对象中仅存储成员变量，成员函数存于公共代码段

  • 逻辑：

    1. 所有成员函数统一存储在"代码段"（全局共享区域），不随对象实例化而复制；
    2. 对象中仅存储成员变量，调用函数时通过"类域+对象地址（this指针）"找到函数，无需对象存储函数相关信息。

  • 验证：通过不同类的对象大小测试，证明此为C++实际采用的存储方式：

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

// 类1：有成员变量（int，4字节）和成员函数
class A1 {
public:
    void f1() {}
private:
    int _a;
};

// 类2：仅有成员函数，无成员变量
class A2 {
public:
    void f2() {}
};

// 类3：空类（无成员变量，无成员函数）
class A3 {};

int main() {
    // 输出结果：4字节（仅成员变量_a的大小，遵循内存对齐）
    cout << "sizeof(A1) = " << sizeof(A1) << endl;  
    // 输出结果：1字节（无成员变量，编译器分配1字节占位，标识对象存在）
    cout << "sizeof(A2) = " << sizeof(A2) << endl;  
    // 输出结果：1字节（空类特殊处理，分配1字节占位）
    cout << "sizeof(A3) = " << sizeof(A3) << endl;  
    return 0;
}

核心结论：

  • C++ 采用 "猜测 3" 的存储方式：

    • 成员变量：存储在对象中，每个对象独立拥有，占对象内存；
    • 成员函数：存储在公共代码段，所有对象共享，不占对象内存；
    • 空类 / 无成员变量的类 ：编译器分配 1 字节内存 "占位"（非存储数据），仅用于标识对象的存在（避免多个空类对象地址重叠）。
      为什么空类的大小是 1 字节而不是 0？

  • 若空类大小为 0，实例化多个空类对象时，所有对象会占用同一地址（内存中无法区分多个对象）；

  • 分配 1 字节内存是 "占位符" 作用，仅用于保证每个对象有唯一的内存地址，不存储任何有效数据。

7.3 结构体内存对齐规则（类对象内存对齐遵循相同规则）

核心目的 ：

内存对齐是编译器的一种优化策略，通过牺牲少量内存，换取CPU对内存的"高效访问"------CPU访问内存时，通常按"对齐字节数"（如4字节、8字节）批量读取，未对齐的内存需多次读取，效率低下。

结构体（类对象）内存对齐的4条规则 ：

以VS编译器（默认对齐数8字节）为例，规则如下：

  1. 规则1：第一个成员的偏移量为0

    结构体/类的第一个成员，必须存储在"偏移量为0"的内存地址（即对象内存的起始位置）。

  2. 规则2：其他成员对齐到"对齐数"的整数倍地址

    • 对齐数 = min(编译器默认对齐数, 成员变量自身大小)；
    • 非第一个成员的存储地址，必须是其"对齐数"的整数倍（若当前地址不满足，编译器自动填充空白字节）。

  3. 规则3：结构体总大小为"最大对齐数"的整数倍

    • 最大对齐数 = 所有成员的对齐数中最大的值；
    • 结构体总大小需向上取整为"最大对齐数"的整数倍（不足则填充空白字节）。

  4. 规则4：嵌套结构体的对齐

    • 嵌套的结构体成员，需对齐到"自身最大对齐数"的整数倍地址；
    • 整个结构体的总大小，需为"所有成员（含嵌套结构体）的最大对齐数"的整数倍。

示例1：基础结构体对齐计算（VS，默认对齐数8）

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

struct S1 {
    char c1;  // 成员1：char(1字节)，对齐数=min(8,1)=1，偏移量0
    int i;    // 成员2：int(4字节)，对齐数=min(8,4)=4，需对齐到4的整数倍（偏移量4，填充3字节空白）
    char c2;  // 成员3：char(1字节)，对齐数=1，偏移量8
};

int main() {
    // 计算总大小：最大对齐数=4，总大小需为4的整数倍（当前偏移量8+1=9，向上取整为12）
    cout << "sizeof(S1) = " << sizeof(S1) << endl;  // 结果：12
    return 0;
}

示例 2：嵌套结构体对齐计算

cpp 复制代码 
struct S2 {
    char c;        // 成员1：char(1字节)，对齐数1，偏移量0
    struct S1 s;   // 成员2：嵌套S1（最大对齐数4），需对齐到4的整数倍（偏移量4，填充3字节空白）
    double d;      // 成员3：double(8字节)，对齐数min(8,8)=8，需对齐到8的整数倍（偏移量4+12=16，无需填充）
};

int main() {
    // 总大小计算：S1大小12，当前偏移量16+8=24；最大对齐数=8（d的对齐数），24是8的整数倍 → 总大小24
    cout << "sizeof(S2) = " << sizeof(S2) << endl;  // 结果：24
    return 0;
}

面试题系列：

  1. 结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？
    • 对齐规则：4 条核心规则（第一个成员偏移 0、其他成员对齐到对齐数整数倍、总大小为最大对齐数整数倍、嵌套结构体对齐到自身最大对齐数）；
    • 对齐原因：CPU 按 "对齐字节数" 批量访问内存，对齐可减少 CPU 读取次数，提升效率（牺牲少量内存换效率）。
  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？
    • 方法：使用编译器指令 #pragma pack(n)（n 为指定对齐数），取消对齐用 #pragma pack()；
    • 限制：VS 中 n 需为 2 的幂（如 1、2、4、8、16），不支持 3、5 等非 2 幂对齐（硬件访问机制限制）；GCC 支持任意 n 对齐，但非 2 幂对齐可能导致效率下降。
  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？
    • 大小端定义：
      • 大端（Big-Endian）：数据的高位字节存低地址，低位字节存高地址（如 0x1234，地址 0 存 0x12，地址 1 存 0x34）；
      • 小端（Little-Endian）：数据的低位字节存低地址，高位字节存高地址（如 0x1234，地址 0 存 0x34，地址 1 存 0x12）；
    • 测试方法（代码示例）：
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 0x12345678;  // 4字节整数，高位0x12，低位0x78
    char* p = (char*)&a; // 强制转换为char*，仅访问第一个字节（低地址）
    if (*p == 0x78) {
        cout << "小端机器" << endl;
    } else if (*p == 0x12) {
        cout << "大端机器" << endl;
    }
    return 0;
}

8. this 指针

8.1 this 指针的引出

核心问题 ：

同一类的多个对象共享成员函数，当不同对象调用同一成员函数时，函数如何区分操作的是哪个对象的成员变量？

示例分析 ：

以 Date 类为例，d1 和 d2 是两个不同对象，调用 Init 和 Print 时，函数需明确操作的是 d1 还是 d2 的 _year、_month、_day：

cpp 复制代码 
class Date { 
public:
    void Init(int year, int month, int day) {
        _year = year;   // 如何确定是d1还是d2的_year？
        _month = month;
        _day = day;
    }
    void Print() {
        cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
    }
private:
    int _year, _month, _day;
};

int main() {
    Date d1, d2;
    d1.Init(2022, 1, 11);  // 希望初始化d1的成员
    d2.Init(2022, 1, 12);  // 希望初始化d2的成员
    d1.Print();  // 希望打印d1的日期
    d2.Print();  // 希望打印d2的日期
    return 0;
}

解决方案：this 指针

C++ 编译器为每个非静态成员函数添加一个隐藏的指针形参（this 指针），该指针自动指向调用函数的对象：

  • 当 d1.Init(...) 时，this 指针指向 d1；
  • 当 d2.Init(...) 时，this 指针指向 d2；
  • 函数体内对成员变量的访问（如 _year），实际被编译器转换为 this->_year。
  • 编译器视角的函数转换： 编译器实际处理的Init函数（用户无需手动编写）
cpp 复制代码 
void Init(Date* const this, int year, int month, int day) {
    this->_year = year;
    this->_month = month;
    this->_day = day;
}

// 调用时自动传递对象地址
d1.Init(&d1, 2022, 1, 11);  // 编译器隐式添加this实参
d2.Init(&d2, 2022, 1, 12);

结论：
this 指针是编译器自动维护的隐藏参数，用于区分不同对象，确保成员函数正确操作调用者的成员变量，用户无需显式传递或声明。

8.2 this指针的特性

this指针的4个核心特性：

  1. 类型固定
    this 指针的类型为 类类型* const（如 Date* const），即指针本身不可修改（不能给 this 赋值），但可通过 this 修改指向对象的成员变量。
    示例（错误）：

    cpp 复制代码 
    void Date::Init(int year, int month, int day) {
    this = nullptr;  // 编译报错：this是const指针，不能赋值
}

  2. 仅在成员函数内部使用
    this 指针仅能在非静态成员函数内部访问，类外或静态成员函数中无法使用。

  3. 本质是函数形参
    this 指针是成员函数的隐含形参，不存储在对象中（对象内存仅包含成员变量）。当对象调用成员函数时，编译器自动将对象地址作为实参传递给 this。

  4. 传递方式
    通常由编译器通过寄存器（如 VS 使用 ecx 寄存器）传递，而非通过函数调用栈，效率更高（无需压栈 / 出栈操作）。

面试题 1：this 指针存在哪里？

  • 理论上：this 是函数形参，应存储在栈区（与普通函数参数存储位置一致）。

  • 实际实现：VS 等编译器为优化效率，将 this 存储在ecx 寄存器中，减少栈操作开销。
    面试题 2：this 指针可以为空吗？

  • 可以为空，但需避免通过空 this 指针访问成员变量（会导致解引用空指针，程序崩溃）。

  • 若成员函数未访问任何成员变量（仅执行独立逻辑），即使 this 为空，调用仍可正常执行（成员函数存于代码段，无需访问对象内存）。
    示例验证：

cpp 复制代码 
class A {
public:
    void Print1() {
        cout << "Print1: 未访问成员变量" << endl;
    }
    void Print2() {
        cout << "Print2: " << _a << endl;  // 访问成员变量，需解引用this
    }
private:
    int _a;
};

int main() {
    A* p = nullptr;
    p->Print1();  // 正常运行：未访问成员变量，无需解引用this
    p->Print2();  // 崩溃：通过空this访问_a，解引用空指针
    return 0;
}

8.3 C语言和C++实现Stack的对比

核心差异 ：

C语言中数据（结构体）与操作数据的函数分离，需显式传递指针；C++通过类将数据与方法封装，由编译器自动维护 this 指针，简化调用并提升安全性。

1. C语言实现Stack的特点

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

typedef int DataType;
typedef struct Stack {
    DataType* array;  // 数据成员（仅存储数据）
    int capacity;
    int size;
} Stack;

// 所有操作函数需显式传递Stack*参数
void StackInit(Stack* ps) {
    assert(ps != NULL);  // 必须手动检查指针非空
    ps->array = (DataType*)malloc(3 * sizeof(DataType));
    ps->capacity = 3;
    ps->size = 0;
}

void StackPush(Stack* ps, DataType data) {
    assert(ps != NULL);  // 重复检查指针
    // ... 扩容逻辑 ...
    ps->array[ps->size++] = data;  // 需通过ps指针访问成员
}

// 其他函数：StackDestroy、StackTop等（均需显式传递Stack*）

int main() {
    Stack s;
    StackInit(&s);          // 手动传递地址
    StackPush(&s, 1);       // 每次调用都需传递&s
    printf("%d\n", StackTop(&s));
    StackDestroy(&s);
    return 0;
}

缺点：

  • 数据与操作分离 ，函数需显式传递 Stack*，易遗漏或传递错误指针；
  • 需手动检查指针非空（assert），增加代码冗余；
  • 结构体仅含数据，无法隐藏内部实现（如 CheckCapacity 等辅助函数需暴露）。

2. C++ 实现 Stack 的特点

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

typedef int DataType;
class Stack {
public:
    // 成员函数无需显式传递Stack*，编译器自动传递this
    void Init() {
        _array = (DataType*)malloc(3 * sizeof(DataType));
        _capacity = 3;
        _size = 0;
    }

    void Push(DataType data) {
        CheckCapacity();  // 直接调用类内函数，无需传递参数
        _array[_size++] = data;  // 隐式通过this访问成员
    }

    DataType Top() {
        return _array[_size - 1];  // this->_array[this->_size - 1]
    }

    // 其他函数：Pop、Size、Destroy等
private:
    // 辅助函数设为private，隐藏实现细节
    void CheckCapacity() {
        if (_size == _capacity) {
            // ... 扩容逻辑 ...
        }
    }

    // 数据成员设为private，避免外部直接修改
    DataType* _array;
    int _capacity;
    int _size;
};

int main() {
    Stack s;
    s.Init();    // 无需传递地址，编译器自动绑定this到s
    s.Push(1);   // 调用简洁，类似"对象.行为"
    cout << s.Top() << endl;
    return 0;
}

优点：

  • 数据与方法封装在类中，调用方式为 "对象。方法"，符合自然认知；
  • 编译器自动传递 this 指针，无需手动传递对象地址，减少错误；
  • 通过访问限定符（private）隐藏内部实现（如 CheckCapacity）和数据，仅暴露必要接口（Push、Top），提升安全性和可维护性。
  • 对比总结：
维度 C 语言实现 C++ 实现
数据与方法关系 分离，需显式传递结构体指针 封装，编译器通过 this 指针关联
调用方式 函数名 (& 对象，参数) 对象。函数名 (参数)
安全性 需手动检查指针，易出错 隐藏实现，限制访问，更安全
可读性 代码分散，逻辑关联弱 类内聚合，逻辑清晰
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