【C++】类和对象（第一篇）

这篇文章我们开始学习C++中的类和对象。

1. 面向过程和面向对象初步认识

我们之前学的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调用逐步解决问题。

而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。

2.类的引入

我们之前在C语言中学过结构体

但是C语言中的结构体只能定义变量比如

对于这个结构体来说struct ListNode是这个结构体的类型struct必须带上的。

当然C++中我们依然能用结构体因为C++兼容C

首先这里给大家说一下C++中可以直接用struct后面的做结构体类型可以不用加struct。

除此之外在C++中

在C++中结构体内不仅可以定义变量也可以定义函数。

比如

之前在数据结构初阶中用C语言方式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
{
	//成员函数
	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;
		}
	}
	//成员函数
	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;
}

通过.的方式可以调用结构体中的函数。

但是呢

上面的这种结构体定义在C++中更喜欢用class即我们接下来要重点学习的类来代替。

3.类的定义

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

3.1 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::

那在成员函数showlnfo前面加上Person的作用呢其实就是告诉编译器showlnfo不是全局的函数而是Person这个类中的成员函数如果不加就会报错的因为在全局找不到该函数。那这样如果在函数中用到了对应的成员变量编译器也会到类中去寻找。
另外要注意如果又缺省参数前面我们说了要在函数声明中给。

3.2 成员变量命名规则建议

现在有这样一个类

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;
};

Date有一个成员变量（属性year然后还有一个成员函数Init但是Init函数的形参和成员变量同名那这里就有一个问题Init中的year到底是成员变量还是函数形参？

我们可以来验证一下

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(2023);
	return 0;
}

我们用Date这个类创建一个对象d1然后调用Init看能不能成功初始化成员变量中的year。
我们通过调试观察

发现d1的成员变量year并没有真正得到初始化。
说明Init中的两个year都是形参。

所以呢对于成员变量的命名我们给出这样的建议

class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 _year = year;
 }
private:
 int _year;
};

成员变量的前面我们可以加一个_和形参进行区分。

或者这样

class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 mYear = year;
 }
private:
 int mYear;
};

在成员变量前面加一个m(member)表示它是成员变量。

当然

这只是建议大家可以按照自己的想法进行区分。以后大家进入公司工作主要看公司要求。

4. 类的访问限定符及封装

🆗那我们上面不是用结构体struct简单的写了一下栈嘛

与C语言结构体的区别是里面可以定义函数但是我们说了在C++我们更喜欢用类（class来代替。

那我们现在就把struct换成class

但是我们发现换成class之后直接报了很多错误。说什么无法访问private成员？

这是怎么回事？

🆗这就是我们接下来要了解的东西——C++中类访问限定符。

4.1 访问限定符

C++实现封装的方式用类将对象的属性（成员变量与方法（成员函数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

【访问限定符说明】

1. class的默认访问权限为privatestruct为public(因为struct要兼容C)

所以我刚才修改成class之后才会报这样的错而struct没事

2. public修饰的成员在类外可以直接被访问

这也就是为什么我们之前用struct就没有报错因为struct默认是public的在类外也可以访问

3. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问

现阶段我们刚开始学习类和对象可以先不在意protected和private具体的区别。

4. 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

比如

5. 如果后面没有访问限定符作用范围就到 } 即类结束

比如

C++中struct和class的区别是什么？

C++需要兼容C语言所以C++中struct可以当成结构体使用。另外C++中struct还可以用来定义类。和class定义类是一样的区别是struct定义的类默认访问权限是publicclass定义的类默认访问权限是private。
注意在继承和模板参数列表位置struct和class也有区别后续给大家介绍。

4.2 封装

面向对象的三大特性封装、继承、多态。

在类和对象阶段主要是研究类的封装特性那什么是封装呢？

封装将数据和操作数据的方法进行有机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。
封装本质上是一种管理让用户更方便使用类。
比如对于电脑这样一个复杂的设备提供给用户的就只有开关机键、通过键盘输入显示器USB插孔等让用户和计算机进行交互完成日常事务。但实际上电脑真正工作的却是CPU、显卡、内存等一些硬件元件。

对于计算机使用者而言不用关心内部核心部件比如主板上线路是如何布局的CPU内部是如何设计的等用户只需要知道怎么开机、怎么通过键盘和鼠标与计算机进行交互即可。因此计算机厂商在出厂时在外部套上壳子将内部实现细节隐藏起来仅仅对外提供开关机、鼠标以及键盘插孔等让用户可以与计算机进行交互即可。

在C++语言中实现封装可以通过类将数据以及操作数据的方法进行有机结合通过访问权限来隐藏对象内部实现细节控制哪些方法可以在类外部直接被使用。
这个大家先了解一下即可在后续学习过程中我们还会不断加深对封装等特性的理解。

5. 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。

6. 类的实例化

用类创建对象的过程称为类的实例化。

1. 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

类就好比是建造房子的图纸类的实例化就好比用图纸去建造房子。图纸只是对房子进行了一个描述用图纸建造出来的房子（类的实例化才占用实际空间。

一张图纸可以建造多栋房子那同样
2. 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（成员函数是不存储在对象中的我们后面会讲

7. 类对象模型

7.1 类对象大小的计算

现在有这样一个类

class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

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

问题

类中既可以有成员变量又可以有成员函数那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？

7.2 类对象的存储方式猜测

我们猜测有以下几种可能

1. 对象中包含类的各个成员成员变量和函数都存储在对象中

但这样存储好吗？

缺陷⚠每个对象中成员变量是不同的但是调用同样的成员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成员函数相同码保存多次浪费空间。
那么如何解决呢？

2. 成员函数只保存一份在对象中保存存放函数的地址

3. 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下面我们就来验证一下

首先提醒大家C++中类对象大小的计算方法和C语言结构体是一样的都要考虑内存对齐。

那先我们就用上面那个Date类创建一个对象看它的大小是多少

所以呢

没错正确的存储方式是第三种类对象中只存储成员变量不存储成员函数（地址也没有成员函数存放在公共的代码段。

打个比方大家可以这样理解

我们说了类就好比是建造房子的图纸一张图纸可以建造多个房子那同样道理一个类就可以实例化多个对象。
那对象的属性（成员变量呢就可以看作是房子里面的厨房、浴室…这些东西每栋房子里面都有。
那类中的成员函数（方法呢就可以看作小区里的篮球场小卖部等这种东西需要一个房子里面建一个吗？那就太浪费了吧是不是整个小区共用一个就行了啊。所以成员函数是不存在对象里的而是存在公共的代码段。

所以说

计算一个类对象的大小只需要考虑其中的成员变量就行了当然记得要按照结构体内存对齐的规则进行计算。

下面我们就来做几个练习计算几个类的大小

那类的大小是多大它创建的对象就是多大就像整型int的大小是4个字节用int创建的变量也是4个字节。

第一个

class A1 {
public:
    void f1(){}
private:
    int _a;
};

那这不是简单吗？成员变量就一个是整型的那就4个字节嘛。

第二个

class A2 {
public:
   void f2() {}
};

哎这个怎么算？没有成员变量只有一个成员函数但我们说成员函数是存在代码段的啊。
那它的大小是0吗？我们来看一下

欸是1。

那这个呢

// 类中什么都没有---空类
class A3
{};

一个空类那按照上面的结果来分析A3的大小也应该是0也是一个成员变量都没有

🆗也是1。

那为什么不含成员变量的类大小是1个字节呢？

一个类的大小实际就是该类中”成员变量”大小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。
可以理解为占位来标识这个类或者类的对象的存在。

7.3 结构体内存对齐规则复习

至于这里用到的结构体内存对齐的规则

我们在C语言阶段也详细讲解过了大家不熟悉的可以复习一下
链接: link
C语言专栏中的一篇文章【自定义类型详解】第一篇——结构体详解

8. this指针

8.1 this指针的引出

我们看这样一个类

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

那我们现在用该类创建两个对象并调用成员函数

int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.Init(2022, 1, 11);
	d2.Init(2022, 1, 12);
	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

我们看到这里能够正确的对d1d2的属性（成员变量进行初始化并打印。

那就有一个问题值得我们思考一下

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 函数时该函数是如何知道应该设置d1对象而不是设置d2对象呢？

那原因在于

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。

8.2 this指针的特性

1. this指针的类型类类型* const即成员函数中不能给this指针赋值（不能修改。

比如在上面的Date类中this指针的类型就是Date* const

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时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由编译器通过ecx寄存器自动传递不需要用户传递

8.3 this指针相关面试题

1. this指针存在哪里？

我们上面提到this指针其实是一个隐含形参是成员函数的形参它不存在于对象中那this指针存在于哪里呢？
🆗是形参的话是不是在栈上啊。
所以this指针是存在于栈上的但是呢有些编译器会进行优化比如vs一般会保存在ecx寄存器中通过编译器自动传递。

2. this指针可以为空吗？

看这个类

class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
		cout << this << endl;
	}
	void func()
	{
		cout << "func" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

然后大家思考一下这样做会产生什么后果

给大家几个选项

编译错误、运行崩溃、正常运行。
大家觉得是啥？

我们来运行看一下

没有出现异常正常运行。

跟大家想的一样吗？

🆗我们来解释一下。
p1是一个Date类型的空指针然后我们通过p1去调用类的成员函数func。
大家可能会想这里不是对空指针解引用了吗？怎么还运行正常啊？
那要告诉大家的是我们不能看到->或者.就认为一定存在解引用还是要根据具体情况进行分析。
我们上面说调用类成员函数时会进行一个隐式的传参传的是当前调用成员函数的对象的地址那现在的情况是什么是不是传过去了一个空指针啊。
但是传参传空指针一定会出错吗？
是不是不一定啊函数那边没有进行空指针的检查那是不是只要不对空指针进行解引用就没问题啊。
而func函数里面是不是只是打印了一个字符串“func”并没有对空的this指针解引用所以程序正常运行没有问题。

那继续看这种情况

如果我们调Init函数呢？

那这下是不是就要出问题了啊因为Init函数里面是不是要通过this指针去找当前对象的成员变量（解引用了但现在传过来的this指针是空指针那对空指针解引用是不是程序就崩溃了。

那再来看一个

这样呢？

这句代码虽然有(*p1)看起来进行了解引用但是我们说了有->或者.也未必一定会解引用这句代码(*p1).func();和p1->func();本质上是不是一样啊（大家可以调试去查看它们的汇编代码是相同的只是把空指针传给this了但是函数体内是不是并没有对其解引用啊所以没事。

最后再来看一个如果是这样呢？

我们把私有private访问限定符屏蔽掉然后执行p1->_day = 6;这句代码会不会有问题？
是不是不行啊这样因为成员变量_day是在对象里的我们要访问是不是要通过对象的指针去访问啊但是现在p1是空指针这里是会进行解引用的所以不行

9. C语言和C++实现栈Stack的对比

回忆一下我们当时C语言实现栈是怎么写的

可以看到在用C语言实现时Stack相关操作函数有以下共性

1. 每个函数的第一个参数都是Stack*
2. 函数中必须要对第一个参数检测因为该参数可能会为NULL
3. 函数中都是通过Stack*参数操作栈的
4. 调用时必须传递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（函数是分离开的对数据的操作比较自由而且实现上相对复杂一点涉及到大量指针操作稍不注意可能就会出错。

那C++要实现栈呢

C++中通过类可以将数据 以及 操作数据的方法进行完美结合通过访问权限可以控制哪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*的参数了对象调用其成员函数时编译器会自动把对象的地址传给this指针C语言中需用用户自己维护。

这篇文章就先到这里欢迎大家指正
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