前言
C语言是一门面向过程的语言,强调函数和过程化编程。
而我们学习的C++既保留了C的传统,也支持面向对象,泛型等多种范式的混合式编程语言。
那么本文我们将学习C++极其重要的一个新知识点:类

1. 类的定义
类是一种用户自定义的数据类型,它封装了数据(成员变量)和操作数据的方法(成员函数)。
类实际上很像C语言中的结构体,能够包含多种数据变量,但不同的是类可以封装函数,也可以把成员变量设置成公有或私有
2 类定义格式
• 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,具体看公司的要求。
• 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。
• 定义在类里面的成员函数默认为inline。
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
// 基本的类定义
class Stack {
public:
// 成员函数
void Init(int n = 4) {
...
}
void Push(int x) {
...
}
int Top() {
...
}
void Destroy() {
...
}
private:
// 成员变量
int* _array;
size_t _capacity;
size_t _top;
}; // 注意:类定义结束必须有分号
3 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。
类中可用public,private和protected来修饰成员变量
public修饰可在类外进行访问,而private和protected修饰的成员变量无法在类外进行访问,只能在类内进行访问
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。
cpp
class Example {
public: // 公有成员 - 类外可以直接访问
void PublicFunc() {
// 可以访问所有成员
publicVar = 1;
privateVar = 2;
protectedVar = 3;
}
protected: // 保护成员 - 类外不能访问,派生类可以访问
int protectedVar;
private: // 私有成员 - 只有本类可以访问
int privateVar;
public:
int publicVar;
};
int main() {
Example obj;
obj.publicVar = 10; // 正确:公有成员
// obj.privateVar = 20; // 错误:私有成员不能在类外访问
// obj.protectedVar = 30;// 错误:保护成员不能在类外访问
obj.PublicFunc(); // 正确:公有成员函数
return 0;
}
4 成员变量的访问
类的成员变量的访问类似于结构体访问成员变量,即利用.或->操作符来访问,一般使用.操作符来访问
cpp
int main() {
Stack st;
st.Init();
st.Push(1);
st.Push(2);
cout << st.Top() << endl;
st.Destroy();
return 0;
}
5 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
#include <iostream>
using namespace std;
class Stack {
public:
// 函数声明
void Init(int n = 4);
void Push(int x);
int Top();
void Destroy();
private:
int* _array;
size_t _capacity;
size_t _top;
};
// 类外定义成员函数 - 必须指定类域
void Stack::Init(int n) {
//实现代码...
}
void Stack::Push(int x) {
// 实现代码...
}
int Stack::Top() {
return _array[_top - 1];
}
void Stack::Destroy() {
free(_array);
_array = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
int main() {
Stack st;
st.Init(); // 调用成员函数
st.Push(1);
cout << st.Top() << endl;
st.Destroy();
return 0;
}
6 类的实例化
类根结构体十分相似。结构体可以看作是一张图纸,我们按照这个图纸创建多个对象,就像建房子一样,但图纸中的内容并不真实存在,只是我们假象然后按照这个假象创造出来实物
类也同样如此。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。

cpp
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; // 这里只是声明,没有分配内存
int _month;
int _day;
};
int main() {
// 实例化对象 - 此时才分配内存
Date d1;
Date d2;
d1.Init(2024, 3, 31);
d1.Print();
d2.Init(2024, 7, 5);
d2.Print();
return 0;
}
类比理解:
-
类 = 建筑设计图
-
对象 = 根据设计图建造的实际房子
-
实例化 = 按设计图施工的过程
对象大小
类和结构体的计算大小方式相同,但成员函数不算大小
对象大小只包含成员变量,不包含成员函数。
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。
• 其他成员变量要对⻬到某个数字(对⻬数)的整数倍的地址处。
• 注意:对⻬数=编译器默认的⼀个对⻬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:最⼤对⻬数(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,嵌套的结构体对齐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⻬数(含嵌套结构体的对齐数)的整数倍。
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class A {
public:
void Print() {
cout << _ch << endl;
}
private:
char _ch; // 1字节
int _i; // 4字节
// 由于内存对齐,总大小为8字节
};
class B {
public:
void Print() {
// 空函数
}
// 没有成员变量
};
class C {
// 完全空类
};
int main() {
A a;
B b;
C c;
cout << "A的大小: " << sizeof(a) << endl; // 8
cout << "B的大小: " << sizeof(b) << endl; // 1
cout << "C的大小: " << sizeof(c) << endl; // 1
return 0;
}
为什么空类大小为1?
-
如果空类大小为0,多个空类对象会有相同地址
-
分配1字节是为了标识对象的存在,保证每个对象有唯一地址
7 this指针
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
this指针是类中自带的隐含的指针,放在函数的第一个形参位置,但是不会显示出来,我们也不用专门地去添加。
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。
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class Date {
public:
// 编译器会将函数转换为:void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
void Init(int year, int month, int day) {
// this指针是隐含的,不能在参数中显式写出
// 但可以在函数体内使用
// 以下三种写法等价:
_year = year; // 方式1:隐式使用this
this->_month = month; // 方式2:显式使用this
this->_day = day; // 方式3:显式使用this
}
void Print() {
cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main() {
Date d1, d2;
// 编译器会将调用转换为:d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);
d1.Init(2024, 3, 31);
d2.Init(2024, 7, 5);
d1.Print(); // 输出:2024/3/31
d2.Print(); // 输出:2024/7/5
return 0;
}
this指针的特性
-
类型 :
类型* const
(常量指针) -
自动传递:编译器自动在成员函数参数中添加
-
不可修改:不能改变this指针的指向
-
隐式使用:通常不需要显式写出
C++与C语言实现Stack的对比
C语言实现
cpp
#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);
// 扩容检查
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
cpp
#include <iostream>
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申请空间失败");
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 == NULL) {
perror("realloc fail");
return;
}
_a = tmp;
_capacity = newcapacity;
}
_a[_top++] = x;
}
void Pop() {
assert(_top > 0);
--_top;
}
bool Empty() {
return _top == 0;
}
STDataType Top() {
assert(_top > 0);
return _a[_top - 1];
}
void Destroy() {
free(_a);
_a = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
private:
// 成员变量
STDataType* _a;
size_t _capacity;
size_t _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;
}
对比分析
特性 | C语言实现 | C++实现 | 优势 |
---|---|---|---|
数据封装 | 结构体数据完全暴露 | 数据私有,通过接口访问 | 更安全 |
函数调用 | 需要显式传递对象指针 | 自动传递this指针 | 更简洁 |
初始化 | 需要单独调用初始化函数 | 可使用缺省参数 | 更灵活 |
类型使用 | 需要typedef | 类名直接作为类型 | 更直观 |
内存管理 | 手动管理 | 可在类中封装管理逻辑 | 更安全 |
总结
-
类的定义 :使用
class
关键字定义类,包含成员变量和成员函数 -
访问控制 :通过
public
、private
、protected
实现封装 -
类的作用域 :类定义新的作用域,类外定义需使用
::
-
对象实例化:类不占内存,实例化对象时才分配空间
-
对象大小:只包含成员变量,遵循内存对齐规则
-
this指针:隐含指针,标识当前对象,解决成员函数区分问题
-
封装优势:提高安全性、简化接口、便于维护
面向对象编程的核心思想是封装------将数据和对数据的操作封装在一起,对外提供统一的接口。这种思维方式让我们能够构建更复杂、更健壮的系统。
在下一章中,我们将深入学习类的其他重要特性:构造函数、析构函数、拷贝构造等,进一步体会面向对象编程的强大之处。