C++的类与对象·三部曲：初阶

1. 前言

这次我们进入C++的类与对象的学习，本篇博客主要抓住什么是类？怎么用类？类和结构体的区别？来展开学习

面向过程和面向对象的初步认识

C语言是面向过程 的，关注的是过程，分析出求解问题的步骤，通过函数来逐步解决问题。

拿生活的一个例子来说：

如果干活的人是C语言的话，那么他需要考虑的东西就很多了，事无巨细

C++是基于面向对象 的，关注的是对象，将一件事情拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成

有了以上两张图片的大致说明，应该大家对面向过程和面向对象应该已经有了大致的印象了，那么接下来我们就去看看，上一张图中的对象是怎么来的呢？

类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体内不仅可以定义变量，还可以定义函数。

比如：之前在数据结构我们学习的用C语言实现的栈 ，结构体中只能定义变量 ，现在以C++方式实现 ，会发现struct中也可以定义函数

typedef int DataType;
struct Stack
{
    void Init(size_t capacity)
    {
        _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
        if (nullptr == _array)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        }
        _capacity = capacity;
        _size = 0;
    }
    void Push(const DataType& data)
    {
    // 扩容
        _array[_size] = data;
        ++_size;
    }
    DataType Top()
    {
        return _array[_size - 1];
    }
    void Destroy()
    {
        if (_array)
        {
            free(_array);
            _array = nullptr;
            _capacity = 0;
            _size = 0;
        }
    }
    DataType* _array;
    size_t _capacity;
    size_t _size;
};
int main()
{
    Stack s;
    s.Init(10);
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    cout << s.Top() << endl;
    s.Destroy();
    return 0;
}

虽然C++中可以支持struct的写法，而且相对于原先的C语言有了更好的优化，但是我们在C++中更喜欢用class类来替换struct，为什么？学到后面你就知道了

提示下：C++兼容C语言， 所以语法规则保持一致且通用和关键字大部分保留了且语义一致， 这里再提一下struct其实就是类的前身，两者的区别在哪，这里先不说，但是你要知道的一点就是struct可以实现的class都可以实现，而且更方便

类的定义

class className
{
// 类体：由成员函数和成员变量组成
};  // 一定要注意后面的分号//从这里也可以看出class 和 struct的关系

因为在C++中struct也可以在结构体内定义函数了，所以从当前的角度来说两者确实没什么太大的区别，但是存在即合理，既然祖师爷设计了出来了，就绝对有过人之处

再回到class类上

class为 定义类的关键字 ，ClassName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

类中内容被称为类的成员： 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

类的两种定义方式：

1. 声明和定义全部放在类体中，需注意：成员函数如果在类中定义 ，编译器可能会将其当成内联函数 处理
2. 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::

一般情况下，更期望采用第二种方式

成员函数的命名规则

成员变量命名规则的建议：

// 我们看看这个函数，是不是很僵硬？
class Date
{
    public:
    void Init(int year)
    {
        // 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？
        year = year;
    }
    private:
    int year;
};
// 所以一般都建议这样

class Date
{
    public:
    void Init(int year)
    {
        _year = year;
    }
    private:
    int _year;
};
// 或者这样
class Date
{
    public:
    void Init(int year)
    {
        mYear = year;
    }
    private:
    int mYear;
};
// 其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行。

类的访问访问限定符

这就是C++的三个访问限定符符，他们的作用是：

1. public修饰的成员在类外可以直接被访问
2. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的)
3. 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
4. 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
5. class的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)

注意：访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，就没有任何访问限定符上的区别了

C++中的struct和class的区别是什么？

C++兼容C语言，所以C++struct可以当成结构体使用

另外C++中的struct还可以用来定义类

和class类一样，区别就是struct定义的类默认访问权是public，class定义的类默认访问权限时private

注意：在记成和模版参数列表位置，struct和class也有区别，后序给大家介绍

封装（这里稍微提一下封装，因为讲到了限定访问符，封装还是和限定访问符有关系的）

面向对象的三大特性：封装、继承、多态

封装：将数据和操作数据的方法进行结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口来和对象进行交互

其实封装管理，是为了让用户更方便的使用类

类的作用域

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。（类也是一个作用域）

class Person
{
    public:
    void PrintPersonInfo();
    private:
    char _name[20];
    char _gender[3];
    int  _age;
};
// 这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
    cout << _name << " "<< _gender << " " << _age << endl;
}

类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

类是对对象进行描述的，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没

有分配实际的内存空间来存储它；比如：入学时填写的学生信息表，表格就可以看成是一个

类，来描述具体学生信息。

类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。

谜语："年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈" 谜底：山羊

1. 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

//错误的
int main()
{
    Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:"."
    return 0;
}
//正确的
int main()
{
    Person _age;//类名 + 变量名;
    return 0;
}

3. Person类是没有空间，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄
4. 做个比方。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，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间

类本身是不占任何空间大小的，但是如果通过该类创建了一个该类的对象，那么此时编译器给对象在内存中开辟空间，空间的大小核心取决于非静态数据成员（属性）的大小（这里的计算会在后面讲解）

类对象的存储方式猜测

• 对象中包含类的各个成员

缺陷：每个对象成员变量是不同的，但是调用同一份函数，如果按照此种方式存储，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会保存一份代码，相同代码保存多次，浪费空间，那么如何解决呢？

• 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？

我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 
{
public:
    void f1(){}
    private:
    int _a;
};
 

我们可以看到就是成员函数是不存储在对象内存空间内的，只有成员属性是存储在对象空间内的

结论：一个类的大小，实际就是该类中"成员变量"之和，当然要注意内存对齐
注意空类的大小，空类比较特殊，编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的对象。

类的大小计算方式就和结构体计算大小方式是一样的，都会用到内存对齐，如果这里不懂的话可以去看一下我这篇的内存对齐C语言结构体全面解析与内存对齐实战-CSDN博客

this指针

this指针的引出

我们先定义一个日期类Data

class Data
{
	int _year;
	int _moon;
	int _day;

public:
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _moon << "-" << _day << endl;
	}
	void Init(int year,int moon,int day)
	{
		_year = year;
		_moon = moon;
		_day = day;
	}
};

int main()
{

	Data d1, d2;
	d1.Init(2026, 1, 3);
	d1.Print();
    d2.Init(2025, 1, 3);
	d2.Print();
	return 0;
}

对于上述类，有这样一个问题：

Data类中有Init和Print俩个成员函数，函数体中没有关于不同对象的区分，那当d1调用Init函数的时候，该函数是如何指导通应该设置d1对象，而不是设置d2对象呢？

C++中通过引入this指针解决该问题，即：C++编译器给每个"非静态的成员函数"增加了一个隐藏的指针参数，让该指针指向当前对象(函数运行时调用该函数的对象)，在函数体中所有"成员变量"的操作，都是通过该指针去访问。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成

this指针的特性

1. this指针的类型：类型*const，及成员函数中，不能给this指针赋值。
2. 只能在"成员函数"的内部使用
3. this指针本质上是"成员函数"的形参，当对象调用成员函数的时候，将对象地址作为实参传递给this形参（所以对象中不存储this指针）
4. this指针是"成员函数"第一个隐含的指针形参，一般情况有编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递

this存在哪里？

存在栈区，因为他是在对象调用成员函数的时候隐式传参的，本质上还是一个局部变量，那么局部变量就是存储在栈区上的

this指针可以为空吗？

不可以，这这个在C++的语法上是不被允许的，但是有时候为什么又不会报错呢？

class Data
{
	int _year;
	int _moon;
	int _day;

public:
	void Print()
	{
		cout << "_year" << "-" << "_moon" << "-" << "_day" << endl;
	}
};

int main()
{

	Data* da = nullptr;
	da->Print();
	return 0;
}

这个代码会正常打印_year-_moon-_day并不会报错，但是这个代码没问题就真的说明，this真的可以为空嘛？

class Data
{
	int _year;
	int _moon;
	int _day;

public:
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _moon << "-" << _day << endl;
	}
};

int main()
{

	Data* da = nullptr;
	da->Print();
	return 0;
}

那这个代码会报错嘛？是的代码崩溃了，因为此时this是nullptr值，空指针可以去访问值吗？

这是不允许的，所以当你的this为空但是没有访问类的属性的时候，可能不会报错，但是如果你一旦访问了，就会立马崩溃

那可以说明this是可以为空的，只要不访问类的属性？这是一种不被编译器的做法，也是一种非常不安全的写法，容易给自己的代码留下很大的安全隐患，this不能为空才是正确的

接下来我们看看C语言用结构体来实现Stack和C++用类来实现的对比

1.C语言实现

typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
    DataType* array;
    int capacity;
    int size;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{
    assert(ps);
    ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
    if (NULL == ps->array)
    {
        assert(0);
        return;
    }
    ps->capacity = 3;
    ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
    assert(ps);
    if (ps->array)
    {
        free(ps->array);
        ps->array = NULL;
        ps->capacity = 0;
        ps->size = 0;
    }
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
    if (ps->size == ps->capacity)
    {
        int newcapacity = ps->capacity * 2;
        DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->array,
        newcapacity*sizeof(DataType));
        if (temp == NULL)
        {
            perror("realloc申请空间失败!!!");
            return;
        }
    ps->array = temp;
    ps->capacity = newcapacity;
    }
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
    assert(ps);
    CheckCapacity(ps);
    ps->array[ps->size] = data;
    ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
    assert(ps);
    return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
    if (StackEmpty(ps))
    return;
    ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
    assert(!StackEmpty(ps));
    return ps->array[ps->size - 1];

}
int StackSize(Stack* ps)
{
    assert(ps);
    return ps->size;
}
int main()
{
    Stack s;
    StackInit(&s);
    StackPush(&s, 1);
    StackPush(&s, 2);
    StackPush(&s, 3);
    StackPush(&s, 4);
    printf("%d\n", StackTop(&s));
    printf("%d\n", StackSize(&s));
    StackPop(&s);
    StackPop(&s);
    printf("%d\n", StackTop(&s));
    printf("%d\n", StackSize(&s));
    StackDestroy(&s);
    return 0;
}

可以看到，在用C语言实现的时，Stack相关操作函数有以下共性：

• 每个函数的第一个参数都是Stack*
• 函数中必须对第一个参数检测，因为该参数可能是NULL
• 函数中通过Stack*参数操作栈的
• 调用的时候必须传递Stack结构体变量的地址

结构体中只能定义存放数据的结构，操作数据的方法不能放在结构体中，即数据和操作数据
的方式是分离开的 ，而且实现上相当复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出

错

2.C++实现

typedef int DataType;
class Stack
{
public:
    void Init()
    {
        _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
        if (NULL == _array)
        {
            perror("malloc申请空间失败!!!");
            return;
        }
    _capacity = 3;
    _size = 0;
    }
    void Push(DataType data)
    {
        CheckCapacity();
        _array[_size] = data;
        _size++;
    }
    void Pop()
    {
        if (Empty())
        return;
        _size--;
    }
    DataType Top(){ return _array[_size - 1];}
    int Empty() { return 0 == _size;}
    int Size(){ return _size;}
    void Destroy()
    {
        if (_array)
        {
            free(_array);
            _array = NULL;
            _capacity = 0;
            _size = 0;
        }
    }
    private:
    void CheckCapacity()
    {
        if (_size == _capacity)
        {
            int newcapacity = _capacity * 2;
            DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
            sizeof(DataType));
            if (temp == NULL)
            {
                perror("realloc申请空间失败!!!");
                return;
            }
            _array = temp;
            _capacity = newcapacity;
        }
    }
    private:
    DataType* _array;
    int _capacity;
    int _size;
};
int main()
{
    Stack s;
    s.Init();
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    s.Push(4);
    printf("%d\n", s.Top());
    printf("%d\n", s.Size());
    s.Pop();
    s.Pop();
    printf("%d\n", s.Top());
    printf("%d\n", s.Size());
    s.Destroy();
    return 0;
}

C++中通过类可以将数据以及操作数据的方法进行完美的结合，通过访问权限可以控制那些方法在类外可以被调用，即封装 ，在使用时就像使用自己的成员一样，更符合人类对一件事物的认知。

而且每个方法不需要传递Stack*的参数了，编译器编译之后该参数会自动还原，即C++中 Stack *
参数是编译器维护的，C语言中需用用户自己维护。

总结

看了这么多，其实C语言和C++之间好像并不是那么的差别巨大，C++中到处都可以看到C语言的影子，无论是类的定义还是使用、还是this的隐式传值，其实都有C语言的影子，只是说在C++这个编译器下，编译器帮我们做了很多的事情，所有在使用的过程中，可以明显感觉C++会比C语言更便捷