【C++】从理论到实践：类和对象完全指南（上）

引言

在面向对象编程（OOP）中，类和对象是核心概念。类是一种抽象的数据类型，用于描述具有相同属性和行为的对象集合 。对象则是类的具体实例，拥有类定义的属性和方法。通过类和对象，可以模拟现实世界的实体及其交互，提升代码的模块化和复用性。

类和对象的关系类似于蓝图与建筑的关系。类定义了对象的模板，而对象则是根据该模板创建的具体实体。这种抽象与实例化的机制，使得程序能够更直观地表达复杂逻辑，同时降低代码的耦合度。

在现代软件开发中，类和对象的应用无处不在。从图形用户界面（GUI）中的窗口控件，到游戏开发中的角色与道具，再到企业系统中的用户与订单，OOP的思想贯穿始终。理解类和对象的概念，是掌握面向对象编程的关键一步。

一、类的定义

1.1 类定义格式

class 为定义类的关键字，Stack 为类的名字，{} 为类的主体，注意类定义结束时后面的分号不能省略。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，如在成员变量前面或者后面加 _ 或者 m 开头，注意C++中这个并不强制，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 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{
public:
	//成员函数
	void Init()
	{
		//....
	}
	void Push(int x)
	{
		//....
	}
	void Pop()
	{
		//....
	}
	void Destroy()
	{
		//....
	}
private:
	//成员变量
	int* arr;
	int top;
	int capacity;
};
int main()
{

	return 0;
}

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;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d;
	d.Init(2025, 11, 16);
	return 0;
}

1.2 访问限定符

访问限定符是 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则使用 public。

1.3 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;
	int top;
	int capacity;
};

// 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 (array == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(1);
	}
	top = 0;
	capacity = n;
}

int main()
{
	Stack s;
	s.Init();
	return 0;
}

二、实例化

2.1 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。

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(2025, 5, 4);
	d2.Init(2025, 1, 16);

	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

2.2 对象大小

分析一下类对象中有哪些成员呢？

类实例化出的每个对象都有独立的数据空间，所以类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，没办法在类对象中存储，这些指令存储在一个单独的区域（代码段），如果非要在类对象中存储的话，只能是成员函数的指针。

类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齐的规则。

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

// 计算A、B、C实例化的对象大小
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _ch << endl;
	}
private:
	char _ch;
	int i;
};

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

class C
{
	//...
};

int main()
{
	A a;
	B b;
	C c;

	cout << sizeof(a) << endl; // 输出8
	cout << sizeof(b) << endl; // 输出1
	cout << sizeof(c) << endl; // 输出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，纯粹是为了占位标识对象存在。

三、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。
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。

this 指针不可以被修改。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
	// 下面的函数实际上是这么写的;
	// 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;
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
		// 也可以这样写
		this->_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 d1;
	Date d2;

	d1.Init(2025, 5, 4);
	d2.Init(2025, 11, 16);

	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

下面我们通过两个选择题测试一下前面的知识学习的如何吧！

1. 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

#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;
}

答案：C

1.p->Print 调用：

p 是 nullptr
Print() 是普通成员函数
调用时，p 作为 this 指针传入函数

2.关键点：

Print()函数内部没有访问任何成员变量 （没有使用 _a）
函数体中只是输出字符串 "A::Print()"，这些操作不依赖 this 指针

3.为什么不会崩溃：

成员函数的代码在编译时已经确定地址，存放在代码段
调用 p->Print() 时，编译器生成类似 A::Print(p) 的代码
函数内部没有解引用 this，所以即使 this 是 nullptr 也不会触发内存访问异常
程序会正常输出 A::Print() 并顺利结束

2. 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

#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;
}

答案：B

为什么会崩溃：

Print() 中使用了 _a，这等价于 this->_a，而 this 是 nullptr，访问其成员会导致运行崩溃（解引用空指针）。

cpp 复制代码

p->Print()
// 编译器会将上面的代码处理为类似：
A::Print(p) // 把 p 作为 this 参数传入