C++学习之旅【C++类和对象（上）】

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引言:前篇小编开启了自己的C++学习之旅,首先介绍了关于C++入门的基础语法知识,但这仅仅只是认识和了解,本篇文章小编开始正式学习C++的内容,接下来将要介绍C++中关于类和对象的介绍,我将分为三个部分进行介绍!首先介绍C++类和对象(上)的相关内容,那到底有哪些知识需要去学习呢?废话不多说,带着这些疑问,下面跟着小编的节奏🎵一起学习吧！

1.类的定义

类是C++ 面向对象编程的核心,本质是自定义的复合数据类型---它把描述一个事物的 "数据(属性)" 和操作这些数据的 "行为(方法)" 打包在一起,形成一个独立的、完整的逻辑单元,核心目的是实现 "封装"(把数据和操作封装起来,避免外部随意访问/修改)同时为后续的继承、多态特性提供基础.

1.1类定义格式

1️⃣class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.

2️⃣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,具体看要求.

3️⃣C++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,⼀般情况下我还是推荐⽤class定义类.

4️⃣定义在类⾯的成员函数默认为inline.

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
class Stack//这里定义了一个栈类	
{
public:
	// 成员函数
	void Init(int n = 4)
	{
		array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
		if (nullptr == array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		capacity = n;
		top = 0;
	}
	void Push(int x)
	{
		// ...扩容
		array[top++] = x;
	}
	int Top()
		 {
		 assert(top > 0);
			 return array[top - 1];
		 }
		 void Destroy()
		 {
		 free(array);
		 array = nullptr;
		 top = capacity = 0;
		 }
 private:
	 // 成员变量
		int* array;
	 size_t capacity;
	 size_t top;
}; // 分号不能省略
 int main()
 {
	 Stack st;
	 st.Init();
	 st.Push(1);
	 st.Push(2);
		 cout << st.Top() << endl;
		 st.Destroy();
		 return 0;
}

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
class Date//这里定义了一个日期类
{
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;
}

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
// C++升级struct升级成了类
// 1.类⾥⾯可以定义函数
// 2.struct名称就可以代表类型
// 3.C++兼容C中struct的⽤法
typedef struct ListNodeC
{
struct ListNodeC* next;
int val;
}LTNode;
// 不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
struct ListNodeCPP
{
void Init(int x)
{
next = nullptr;
val = x;
}
ListNodeCPP* next;
int val;
};
int main()
{
return 0;
}

1.2类的访问限定符

1️⃣C++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⼾使⽤.

2️⃣public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.

3️⃣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.

4️⃣class定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private ,struct默认为public.

5️⃣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.

1.3类域

1️⃣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.

2️⃣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;
}

2.实例化概念

1️⃣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.

2️⃣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.

3️⃣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.

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, 12, 8);
d1.Print();
d2.Init(2025, 12, 9);
d2.Print();
return 0;
}

2.1实例化的两种核心方式（最常用）

1️⃣栈上实例化(局部对象,最常用)
①语法:和定义普通变量一样,直接写类名对象名;(可加初始化参数,对应类的构造函数).
②核心特点:内存由编译器自动分配 / 释放(对象的作用域结束时,比如函数执行完、代码块结束,对象会自动销毁),无需手动管理内存;访问对象成员用 . 操作符(因为是直接的对象,不是指针).
③通俗说明:像在 "临时内存区（栈）" 造对象,用完自动回收,适合生命周期短、占用内存小的对象.
④示例(文字描述):
若有一个Student类,栈上实例化:Student zhangsan;(创建名为zhangsan 的学生对象);之后可通过zhangsan.setScore(95);(调用public方法设置成绩）、zhangsan.printInfo();(调用 public 方法打印信息)操作这个对象.

2️⃣堆上实例化(动态对象)
①语法:用new关键字,格式为类名* 指针变量 = new类名(初始化参数)
②核心特点:</font>内存由程序员手动分配(new向系统申请 "堆内存"),必须手动用 delete释放(delete指针变量),否则会导致内存泄漏(申请的内存一直占用,程序结束前无法回收); 实例化后得到的是 "指向对象的指针",访问对象成员用 -> 操作符（而非.）
③通俗说明:像在 "长期内存区（堆）" 造对象,用完必须手动 "清理",适合生命周期长、占用内存大的对象(比如需要跨函数使用的对象).
④示例(文字描述):
堆上实例化Student:Student* lisi = new Student();（创建 lisi 学生对象，返回指向该对象的指针）；操作对象:lisi->setScore(88);、lisi->printInfo();；用完释放内存：delete lisi; lisi = nullptr;(释放后建议把指针置空，避免 "野指针").

2.2实例化的本质

1️⃣分配内存:根据类中成员变量的大小,为对象分配对应的内存空间(比如Student有姓名(字符串)+学号(int)+成绩(int),对象会占用这些数据的总内存);
2️⃣调用构造函数:自动执行类的构造函数(如果没手动定义,编译器会生成默认构造函数),初始化对象的成员变量(比如把成绩初始化为 0、姓名初始化为空字符串)------ 构造函数是实例化的 "必经步骤",保证对象创建时就处于合法状态.

2.3实例化后的使用规则

1️⃣不能直接访问private成员变量(比如zhangsan.score = 90;会报错);

2️⃣只能通过public成员函数(接口)操作数据(比如zhangsan.setScore(90)),符合 "数据隐藏、接口开放" 的封装原则.

2.4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.这⾥需要再说⼀下,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,这个我以后会学习会介绍.

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.那我们来回忆一下内存对齐的规则!
内存对⻬规则:

1️⃣第⼀个成员在与结构体偏移量为0的地址处.

2️⃣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.

3️⃣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.

4️⃣VS中默认的对⻬数为8.

5️⃣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.

6️⃣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⻬数(含嵌套结构体的对⻬数)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;
};//A的实例化对象是8

class B
{
public:
void Print()
{
//...
}
};//B的实例化对象是1

class C
{};
int main()
{
A a;
B b;
C c;//C的实例化对象是1
cout << sizeof(a) << endl;
cout << sizeof(b) << endl;
cout << sizeof(c) << endl;
return 0;
}//B、C的实例化对象都是,只是因为没有成员变量的类对象,分配1byte纯粹为了占位,表示对象存在

那么回过来再思考一下,为什么要内存对齐?
内存对象本质是"空间换时间"的设计策略;通过牺牲少量内存空间(填充空字节),满足硬件的访问约束最大化内存访问效率,并保证系统的兼容性和稳定性

3.this指针

1️⃣Date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.

2️⃣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)

3️⃣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;

4️⃣C++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.

5️⃣this指针存在栈或者寄存器的内存区域

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本身不能修改,它是有const修饰
// 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(&d1, 2024, 3, 31);
d1.Init(2024, 3, 31);
d1.Print();
d2.Init(2024, 7, 5);
d2.Print();
return 0;
}

cpp 复制代码

//思考一下这个程序有没有问题？
#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;
}//这个程序正常运行

cpp 复制代码

//思考一下这个程序有没有问题？
#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;
}//这个程序运行崩溃-->this没有指向一个有效的对象

4.C++和C语⾔实现Stack对⽐

⾯向对象三⼤特性:封装、继承、多态,下⾯的对⽐我们可以初步了解⼀下封装.
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.

1️⃣C++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.当然封装不仅仅是这样的,我们后⾯还需要不断的去学习.

2️⃣C++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.

3️⃣在我们这个C++⼊⻔阶段实现的Stack看起来变了很多,但是实质上变化不⼤.等后⾯看STL中的⽤适配器实现的Stack,⼤家再感受C++的魅⼒.

cpp 复制代码

//C实现Stack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;
}

cpp 复制代码

#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;
}
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;
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;
}

敬请期待下一篇文章内容-->类和对象(中)!

C++学习之旅【C++类和对象（上）】

目录

1.类的定义

1.1类定义格式

1.2类的访问限定符

1.3类域

2.实例化概念

2.1实例化的两种核心方式（最常用）

2.2实例化的本质

2.3实例化后的使用规则

2.4对象⼤⼩

3.this指针

4.C++和C语⾔实现Stack对⽐