C++面向对象与类和对象(一)----C++重要基础入门知识

AuroraWanderll2025-12-13 8:08
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这是类和对象系列的第一篇文章：

之前由于第一次发布时篇幅过长，可能导致阅读体验很差，现在我把他按要点进行了适当拆分，希望能帮助读者更好理解，也方便自己复习。

C++面向对象与类和对象(一)----C++重要基础入门知识

简易目录

  • 第一个重要问题：面向对象和面向过程的区别
  • 第二个重要问题：C++中结构体升级成了类
  • 第三个重要问题：类的定义与编码规范

第一个重要问题：面向对象和面向过程的区别

类和对象的知识是我们学习C++编程的基础，它在我们的知识体系中扮演了一个至关重要的角色。

但在开始学习类、对象、继承这些具体概念之前，我们首先要解决一个最根本的问题：到底什么是"面向对象"？它和我们可能更熟悉的"面向过程"编程有什么不同？

一、面向过程编程：关注步骤的"流水线"

核心思想： "怎么做？"------关注的是解决问题需要的一系列步骤或函数。

在面向过程的世界里，程序员像一个流水线工程师，他的任务是精确地设计出每一个操作步骤。对于"把大象装进冰箱"这个问题，他的思路会是这样的：

  1. 打开冰箱门。
  2. 把大象塞进去。
  3. 关上冰箱门。

面向过程的特点：

  • 核心是函数： 程序由一个个函数组成，数据（如 door（门的开关状态）, content（冰箱中的内容））和操作数据的函数是分离的。
  • 线性思维： 代码按照预定的步骤顺序执行。
  • 优点： 流程直观，在解决小型、任务明确的问题时非常高效。

缺点： 当系统变得庞大复杂时，数据和函数的关系会变得混乱。如果想增加一个"给冰箱通电"的功能，相关的数据和函数可能会散落在程序的各个角落，难以维护和扩展。

二、面向对象编程：关注对象之间的相互作用

核心思想： "谁来做？"------关注的是解决问题中涉及到的各类对象，以及它们之间的交互。

在面向对象的世界里，程序员像一个社会架构师。他首先会定义出这个问题的解决方案里有哪几种角色（类 ），每种角色有什么属性（数据成员 ）和能力（成员函数）。对于同样的问题，他的思路会是：

  1. 这个问题里涉及几个对象？------ 冰箱 和大象。
  2. 每个对象各自有什么属性和能力？
    • 冰箱：有门（状态）、内部容量、可以执行开门、装东西、关门等动作。
    • 大象：有名字、体积等属性。

面向对象的特点：

  • 核心是类和对象： 程序是由多个对象组成的，对象是数据（属性）和操作（方法）的封装体。
  • 三大特性：
    • 封装： 把数据和处理数据的方法捆绑在一起，并可以隐藏内部细节（利用public,protected,private等访问限定符，后面会讲）。比如，main 函数不需要知道 Refrigerator(初始化冰箱状态) 内部如何记录门的状态，只需要调用它的 openDoor() 方法。
    • 继承： 允许我们基于已有的类创建新类，实现代码的复用和扩展。（后续章节详解）
    • 多态： 允许不同的对象对同一消息做出不同的响应。（后续章节详解）
  • 优点： 代码结构清晰，更接近现实世界，易于维护、扩展和复用。当需求变化时，通常只需要修改或扩展某个类，而不会影响整个程序,方便工程管理。

  1. 举个例子：我们在竞技游戏中，某个角色的技能出现了bug，例如王者荣耀的露娜大招不刷新的bug。我们会说策划怎么还不修复露娜大招bug。而这个说法说的正是对象！我们的露娜是一个对象。如果我们是面向过程，我们则会说哪一步出了问题，而不是谁谁谁出了问题。

    可以看出，面向对象似乎比面向过程更贴近我们人的思维方式

第二个重要问题：C++中结构体升级成了类

在C语言中，我们学习的struct已经具有了很强大的功能，它能够在内部定义变量，我们用它来实现了很多很多数据结构。

而现在，在C++中，我们不在拘泥于定义变量，我们的对象，需要有更多的功能与方法，来进行更加复杂却便利的交互。

一、从C的 struct 到C++的 class：一次伟大的升级

在C语言中，struct 只是一个数据集合 ，它允许你将不同的数据类型组合在一起，形成一个新的复合类型。但它不能包含函数（方法）。

我们的struct中现在不仅可以定义变量，我们还可以定义包含方法，而我们所说的这些struct的功能已经无限接近class的功能。

C语言的 struct（数据包）：

c

复制代码 
// C语言代码
struct Person_C {
    char name[20];
    int age;
}; 
// 只能定义数据，不能定义函数
// 操作这个结构体的函数必须与结构体分离
void printPerson(struct Person_C p) {
    printf("Name: %s, Age: %d\n", p.name, p.age);
}

到了C++，class 的概念被引入，它极大地扩展了 struct 的能力。C++中的 class 是一个数据与行为的封装体。

C++的 class（智能对象）：

复制代码 
// C++代码
class Person_CPP {
private:
    std::string name; 
    int age;

public:
    // 可以在类内部定义函数（方法）
    void setName(const std::string& newName) {
        name = newName;
    }
    void setAge(int newAge) {
        if(newAge > 0) { // 可以加入逻辑验证
            age = newAge;
        }
    }
    void print() const { // 成员函数
        std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;
    }
};

升级的核心点：

  1. 数据封装：可以包含成员变量（数据）和成员函数（行为）。
  2. 访问控制 ：引入了 public、private、protected 关键字来控制成员的访问权限。
  3. 构造函数/析构函数：提供了对象自动初始化和清理的能力。
  4. 继承与多态：成为面向对象继承体系的基础。

可以说我们的C++中的struct已经无限接近于class，但是他们还有一些细微的区别。

二、C++中的 struct 与 class：孪生兄弟的细微差别

现在来到问题的关键：C++中的 struct 和 class 有什么区别？

答案是：除了默认的成员访问权限和默认的继承方式，它们没有任何功能上的区别。 C++对原有的C风格 struct 进行了增强，让它拥有了 class 的所有能力。

核心区别：默认访问权限

  • class ：成员和继承默认是 private 的。
  • struct ：成员和继承默认是 public 的。

让我们用代码来展示这个区别：

示例1：默认成员访问权限

复制代码 
// 使用 class 关键字
class MyClass {
    int data; // 默认为 private，外部无法直接访问
public:
    void setData(int d) { data = d; }
};

// 使用 struct 关键字
struct MyStruct {
    int data; // 默认为 public，外部可以直接访问
    void setData(int d) { data = d; }
};

int main() {
    MyClass obj_c;
    // obj_c.data = 10; // 错误！data 是 private 成员
    obj_c.setData(10); // 必须通过公共接口

    MyStruct obj_s;
    obj_s.data = 20; // 正确！data 是 public 成员
    obj_s.setData(20); // 当然也可以这样做,也就是说通过公共接口或是直接访问都可以

    return 0;
}

示例2：默认继承方式

复制代码 
class Base {
public:
    int x;
};

// class 默认是 private 继承
class DerivedClass : Base { // 等价于 : private Base
    // 在DerivedClass内部，Base的public成员x变成了private
};

// struct 默认是 public 继承
struct DerivedStruct : Base { // 等价于 : public Base
    // 在DerivedStruct内部，Base的public成员x仍然是public
};

int main() {
    DerivedClass d_c;
    // d_c.x = 10; // 错误！由于是private继承，x在派生类中不可见

    DerivedStruct d_s;
    d_s.x = 10; // 正确！由于是public继承，x在派生类中保持public

    return 0;
}

重要提示 ：尽管默认行为不同，但我们强烈建议在代码中显式地写出访问控制符和继承方式，以避免混淆。

复制代码 
// 好的实践：显式声明
class MyClass {
private:
    int data;
public:
    MyClass() = default;
};

struct MyStruct {
public: // 虽然默认就是public，但写上更清晰
    int data;
    MyStruct() = default;
};

class Derived : public Base { // 显式声明public继承
    // ...
};
三、如何选择：struct vs class？

既然功能几乎一样，我们该如何选择？C++社区形成了一些约定俗成的惯例：

  • 使用 struct：
    • 当你主要需要一个纯粹的数据结构时。
    • 当所有成员都希望是公共的时（例如：坐标点 Point {x, y}，配置参数 Config {width, height}）。
    • 用于与C代码交互的兼容性结构体。
    • 在模板元编程中，有时用 struct 来作为"编译期函数"或特性标签，因为它默认的public更便捷。
  • 使用 class：
    • 当你需要定义一个具有复杂行为 和严格封装的抽象数据类型（Abstract Data Type）时。
    • 当你需要用到私有成员、保护成员，并需要通过公共接口来与对象交互时。
    • 当你打算使用继承和多态等面向对象特性时（尽管 struct 也可以，但 class 的语义更贴切）。

简单来说：struct 感觉更像一个"数据包"，而 class 感觉更像一个"功能完整的对象"。

总结
  • C++的 class 是C语言 struct 的超级增强版，引入了成员函数和访问控制。
  • 在C++中，struct 和 class 是几乎完全相同的概念。
  • 它们唯一的核心区别在于默认的访问权限和继承方式。
  • 在实际编程中，根据语义和惯例来选择使用哪一个，并始终显式地写出访问控制符，这能让你的代码更清晰、更专业。

理解了这一点，你就可以自信地在C++中使用这两种关键字了。

第三个重要问题：类的定义与编码规范

理解了面向对象的思想和class与struct的关系后，现在让我们正式学习如何在C++中定义类。这就像学习一门新语言的语法规则一样，是打好基础的关键一步。

一、类的基本语法结构
复制代码 
class ClassName 
{
    // 类体：由成员函数和成员变量组成
};  // 一定要注意这个分号！
  • class：定义类的关键字
  • ClassName ：类的名字（遵循大驼峰命名法，如MyClass）
  • {}：类的主体，包含类的所有成员(成员变量啊，成员函数啊等等)
  • ; ：类定义结束的分号绝对不能省略！这是很多初学者容易犯错的地方。

类的成员分为两类：

  • 成员变量（属性）：描述对象的特征，如人的年龄、姓名

  • 成员函数（方法）：描述对象的行为，如人会走路、说话

    比如我们定义一个学生类，那么他的成员变量就是学号，姓名，年龄

    他的成员函数就是写作业，考试，上课

    就好像语文中的名词与动词的区别一样。

二、类的两种定义方式
方式1：声明和定义全部放在类体中
复制代码 
class Date {
public:
    // 成员函数直接在类内部定义
    void Init(int year, int month, int day) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    
    void Print() {
        std::cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << std::endl;
    }

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

特点：

  • 优点：写法简单，适合教学和小型项目

  • 注意 ：在类内部定义的成员函数，编译器可能会将其当作内联函数处理

    这里我们可以简单了解一下内联函数（不是重点，可以跳过）：

    传统函数调用过程：

    1. 跳转到函数地址
    2. 保存现场（压栈）
    3. 执行函数体
    4. 恢复现场（出栈）
    5. 跳转回调用处

    内联函数的处理方式： 编译器会将内联函数的代码体直接展开到调用处，避免函数调用的开销（省略了压栈出栈一系列步骤）。

重要提醒 ：即使是显式使用 inline 关键字，也只是给编译器的建议，不是命令！编译器最终还是会根据自己的判断来决定是否真正内联。

内联的优缺点

优点：

  • 消除函数调用开销，提高性能
  • 避免跳转指令，有利于CPU指令流水线

缺点：

  • 代码膨胀：每个调用处都展开一份函数体

  • 可能增加编译后文件大小

  • 调试困难（函数调用栈信息可能丢失）

    可能被当成内联函数这一点是需要我们避免的，在这里编译器有完全的自主权，到底有没有被当成内联函数我们不得而知。这是一种不确定性，而且内联可能导致编译完之后代码膨胀(因为展开)

方式2：声明和定义分离（推荐！）

Date.h（头文件）：

复制代码 
class Date {
public:
    // 只在类中声明函数
    void Init(int year, int month, int day);
    void Print();

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

Date.cpp（源文件）：

复制代码 
#include "Date.h"
#include <iostream>

// 在源文件中定义函数，需要加上类名和作用域解析符 ::
void Date::Init(int year, int month, int day) {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
}

void Date::Print() {
    std::cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << std::endl;
}

为什么推荐方式2？

  • 分离编译：头文件只放声明，源文件放实现，符合软件工程原则
  • 减少依赖：修改函数实现时，只需要重新编译对应的.cpp文件
  • 代码清晰：接口和实现分离，更易于阅读和维护
  • 避免内联膨胀：不会意外产生大量的内联函数(与上文相呼应)
三、成员变量命名规范（重要！）

这是一个看似简单但极其重要的实践问题。先看一个反面教材：

复制代码 
class Date {
public:
    void Init(int year) {
        // 灾难！这里的year到底是成员变量还是函数参数？
        year = year; // 自己赋值给自己，毫无意义！
    }
    
private:
    int year; // 成员变量
};

上面的代码中，year = year 实际上只是把参数赋值给自己，成员变量完全没有被修改！

这样既导致了严重的南辕北辙的逻辑错误，也使阅读代码变成非常困难的一件事。比我们在C语言中的普通的变量命名规范重要的多，后者只是规范而前者是你必须好好命名否则会有严重后果

解决方案：使用命名区分

方案1：使用下划线前缀（常见于Linux/Unix风格）

复制代码 
class Date {
public:
    void Init(int year) {
        _year = year; // 清晰明了！
    }
    
private:
    int _year;    // 成员变量加下划线
    int _month;
    int _day;
};

方案2：使用'm'前缀（常见于Windows/MFC风格）

复制代码 
class Date {
public:
    void Init(int year) {
        mYear = year; // 同样清晰！
    }
    
private:
    int mYear;    // 成员变量加m前缀
    int mMonth;
    int mDay;
};
核心原则：
  • 一致性：选择一个风格并在整个项目中坚持使用
  • 可读性：让成员变量在代码中一眼就能被认出来
  • 避免歧义：确保不会与函数参数或局部变量混淆

在实际工作中，请遵循你所在团队的编码规范。没有绝对的对错，只有一致性最重要！

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