吃透C++类和对象(上)：封装、实例化与 this 指针详解

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 在当前学习阶段我们可以认为是一样的，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会放为public。

二、类的定义

1、类定义的格式

class 为定义类 的关键字 ，Stack 为类的名字 (可以看需求任意取名，这里以Stack为例)，{} 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。

cpp 复制代码

//Test.cpp
#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{
	//类的方法/成员函数
	void Init(); //开头没有访问限定符修饰则默认为private
public:
	void Push(int x);
	int Top();
	void Destroy(); //public到private之间的内容均为公开可以直接访问
private:
	//类的属性/成员变量
	int* arr;
	int top;
	int capacity; //private到 } 即类结束之间的内容均为私有不能直接访问
};

int main()
{
	Stack st;
	st.Push(1);
	st.Top();
	st.Init();//err：无法访问 private 成员
    st.arr;   //err：无法访问 private 成员
	return 0;
}

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。

cpp 复制代码

//Test.cpp
class Date
{
public:
	void Init(int year, int mouth, int day)
	//在C语言学习中如果遇到这种情况我们一般直接把形参变成一个字母的表示形式
	//但这样就会大大降低代码的可读性，可能其他人难以理解是什么意思，但又怕冲突所以会加上特殊标记
	{
		_year = year;
		_mouth = mouth;
		_day = day;
	}
private:
	//为了区分成员变量，一般习惯上成员变量会加上一个特殊标记，如在 前或后加上_ 或者 m开头
	int _year; //_year 或者 year_  或者 myear
	int _mouth;
	int _day;
};

int main()
{
	Date date;
	date.Init(2025, 12, 17);
	return 0;
}

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。

cpp 复制代码

//Test.cpp
struct Date
{
public:
	void Init(int year, int mouth, int day)
	{
		_year = year;
		_mouth = mouth;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _mouth;
	int _day;
};
 
// C++兼容C的struct的用法
typedef struct ListNodeC
{
	int val;
	struct ListNodeC* next;
}LTNodeC;

struct ListNodeCPP
{
	int val;
	ListNodeCPP* next; //struct定义类时，没有被访问限定符修饰时则默认为 public
};

int main()
{
	Date date;
	date.Init(2025, 12, 17);
	return 0;
}

定义在类里的成员函数 默认为 inline 。

2、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 arr 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 arr 等成员，就会到类域中去查找。

cpp 复制代码

class Stack
{
public:
	//成员函数
	void Init(int n = 4);
//private:
	//成员变量
	int* arr;
	int top;
	int capacity;
};

//声明和定义分离，需要指定类域
//void Init() //err:由于没有指定类域Stack，则当成全局函数，但是在全局和局部中均没有arr等成员的声明/定义，则会报错

void Stack::Init(int n) //此时指定了类域后，除了全局和局部，编译器还会在指定的域中查找成员
{
	arr = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
	if (arr == nullptr)
	{
		perror("malloc申请空间失败");
		return;
	}
	capacity = n;
	top = 0;
}

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

三、实例化

1、实例化的概念

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

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
	static int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int Date::_year = 0;

int main()
{
	//Date类实例化出对象d1和d2
	Date d1;
	Date d2;
	d1.Init(2025, 12, 11);
	d1.Print();
	d2.Init(2025, 12, 12);
	d2.Print();
	return 0;
}

2、对象大小

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。那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 。假设用 Date 实例化出100个对象，那么成员函数就需要重复存储100次，又因为函数普遍都很大，这样就会导致太浪费空间了。所以成员函数会被存储在代码区 中，所有成员是共享同一份代码 。

这里需要提一下，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，这个是当我们学习到后面的知识才会讲解。

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，在C语言学习结构体时我们就知道了结构体求大小是需要符合内存对齐的规则的，而类的对象也不例外。

内存对齐规则：

(1)第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。

(2)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。

(3)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。

(4)VS中默认的对齐数为8

(5)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。

(6)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。

在这里再提一下为什么要有这个内存对齐规则 ？在前面C语言学习中我们已经知道结构体的内存对齐是拿空间来换取时间 的做法。那到底是怎么个空间来换取时间呢？

其实之所以要有这个规则的真正原因是机器不能从任意位置读取数据 ，只是这个原因才会有内存对齐的规则，否则这个规则完全就是没有好处且浪费空间的。机器只能从整数倍的位置读取数据 ，这个是取决于机器的不同硬件设计 而决定的。正是只能从整数倍的位置读取数据如果没有这个规则就会导致有些数据可能需要两次读取才能读完(一次读取只能得到数据一部分)，这就使得效率不高，所以才会有这个规则的出现。

cpp 复制代码

//Test.cpp
//计算一下A/B/C实例化的对象是多大？
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _ch << endl;
	} //成员函数存储在代码区中，不参与对象大小的计算
private:
	char _ch;
	int _i;
};

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

class C
{
};

int main()
{
	A a;
	B b;
	C c;
	cout << sizeof(a) << endl;
	cout << sizeof(b) << endl;
	cout << sizeof(c) << endl;
	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，在上面我们已经知道成员函数是不存储在对象里 的(成员函数是存储在单独的代码区中)，所以求对象大小时，成员函数是不包含在内 的，但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。

四、this指针

在前面我们知道成员函数是存储在单独的代码区中，所有的对象其实是共享同一份函数代码 的。那就有一个问题出来了：上面的两个对象 d1 和 d2 在打印时为什么打印的结果会不同呢 ？不是说共享同一份函数代码吗？

有些人可能会说，因为两个对象初始化后成员变量本来就不一样，打印的结果肯定也不一样嘛。但是我们要知道打印函数void Print()的内容：cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;中的成员变量并没有指明是哪个对象的，哪怕两个对象打印的结果不同，为什么不能是 d1 打印的结果是 d2 的，而 d2 打印的结果是 d1 的？

也就是说 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 。这里就要看到 C++ 给了一个隐含的 this 指针解决来解决这种问题了。

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部显示使用this指针。

cpp 复制代码

//Test.cpp
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	//void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		//this->_year = year;
		this->_month = month;
        //在函数体内部可以显示使用this指针，但一般不会主动写，编译器会自动帮我们加上
		this->_day = day;
	}

	void Print()
	//void Print(Date* const this)
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
		//cout << this->_year << "/" << this->_month << "/" << this->_day << endl;
	}

private:
	//这里只是声明，没有开空间
	static int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int Date::_year = 0;

int main()
{
	Date d1;
	Date d2;
	d1.Init(2025, 12, 11);
	//d1.Init(&d1, 2025, 12, 11);
	d1.Print();
	//d1.Print(&d1);

	d2.Init(2025, 12, 12);
	//d2.Init(&d2, 2025, 12, 12);
	d2.Print();
	//d2.Print(&d2);
	return 0;
}

1、程序编译运行结果判断

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

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
	}
private:
	int _a = 1;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

可能有些人一看到 p 为 nullptr ，然后又看到 ->，就会想到这是对空指针解引用，运行会崩溃。但是实际结果是这样的：

这个程序代码是可以正常执行的，不会有问题。但这是为什么呢？

原因还是在于前面所说的：成员变量是存储于对象中 的，但是成员函数 并不是存储在对象中的，而是存储在单独一个代码区中，编译器在访问成员变量时就需要在对象中查找，如果是成员函数时则不需要去"理会"对象，但这个的前提还是函数内部也没有访问成员变量的代码，如果有则还是需要在对象中查找。

而对于上述的成员函数中我们发现其内部只有一个打印的代码，而没有有关成员变量的代码，所以当访问成员函数时，编译器会直接在代码区中进行查找而不会"理会"对象 ，自然 p(对象的地址)就不需要被解引用成对象了。

下面两种情况就会导致 p 进行解引用而运行崩溃：

cpp 复制代码

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
	}
	int _a = 1;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->_a = 1;
	return 0;
}

cpp 复制代码

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
        cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a = 1;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

第一种情况就是直接访问成员变量，由于成员变量存储于对象中，而 p 是对象的地址，所以需要先解引用成对象再进行查找，但是 p 又为 nullptr，对空指针进行解引用就会运行崩溃；第二种情况就是成员函数内部存在有关成员变量的代码，虽然编译器会忽视对象在代码区中查找函数，但在函数内部还需要利用对象来查找成员变量，所以仍然需要解引用，这也是为什么报错的位置并不是在 mian 函数的 p->Print(); 而是在成员函数内部的 cout << _a << endl;。

最后再提一个问题是：

this 指针存在内存哪个区域的 ( )

A.栈 B.堆 C.静态区 D.常量区 E.对象里面

首先肯定是排除 E 选项的，要是有人想选 E 的话就得重新看看前面所讲的知识了，因为已经说过了 this 指针是隐含放在成员函数的第一个形参的位置 ，而我们已经多次说了成员函数不存储于对象中，自然 this 指针就不存在对象里面了。

而在函数调用 时形参与局部变量 都是存储于栈区的，所以this 指针 一般情况下是存在于栈区的。

五、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。我们发现C++实现 Stack 形态上还是发生了挺多的变化，但是在底层和逻辑上没啥变化。

C++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。
C++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。
在我们这个C++入门阶段实现的 Stack 看起来变了很多，但是实质上变化不大。等着我们后面学到 STL 中的用适配器实现的 Stack ，大家可以更加感受到C++的魅力了。

结束语

到此，C++中类的定义、实例化以及 this 指针就讲解完了，希望对大家学习C++能有所帮助！

C++参考文档：
https://legacy.cplusplus.com/reference/
https://zh.cppreference.com/w/cpp
https://en.cppreference.com/w/