【C++】类和对象（一）

一、初步认识面向过程和面向对象

面向对象：OO, Object - Oriented

面向过程：PO, Procedure - Oriented

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。

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。

注意：C++不是纯面向对象语言，C++既有面向过程（因为兼容C语言），也有面向对象，可以混合编程。

比如：

炒一盘菜：

面向过程关注的是过程，即炒菜的每个步骤（切菜、开火、放油、加佐料，炒…）。

面向对象关注的是对象，则会创建一个厨师类，然后在类中添加炒菜的方法，然后实例化厨师对象，调用炒菜方法。

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二、类的引入

C 和 C++ 中「 struct 」的区别

区别一：

/**************************************************************/
// c
struct ListNode
{
	int val;
	struct ListNode* next; // c语言中必须要写struct
};

typedef struct ListNode // typedef
{
	int val;
	struct ListNode* next; // 即使用了typedef，如果在结构体内，也必须要写struct
};

// 解析：
// C语言中struct是结构体
// 而 struct ListNode 这个整体是结构体名，必须要写全，不能省略struct
// typedef struct ListNode 在结构体结束的位置才会生效，所以在结构体内必须写全


/**************************************************************/
// cpp
struct ListNode
{
	int val;
	ListNode* next; // cpp中可以不写struct
};

// 解析：
// C++中struct不仅仅是结构体，struct已经升级成类了
// 而 ListNode 就是类名，ListNode* next 中的 ListNode 就是类名
// 所以我们可以不用写struct，当然也可以写上，因为cpp兼容c

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区别二：

C语言中：数据和方法分离，结构体内只能定义变量。

C++中：数据和方法是封装在一起的，结构体内既可以定义变量，也可以定义函数。

/**************************************************************/
// c
struct Student
{
	char _name[10]; // 数据
	int _age;
};

// 方法（必须传结构体指针）
void SetStudentInfo(struct Student* ps, const char* name, int age)
{
    strcpy(ps->_name, name);
    ps->_age = age;
}

int main()
{
    Student s;
    s.SetStudentInfo(&s, "winter", 20);
}


/**************************************************************/
// cpp
struct Student
{
	// 方法
	void SetInfo(const char* name, int age) // 思考：为什么cpp中不用传结构体指针了呢？
	{
		strcpy(_name, name);
		_age = age;
	}

	char _name[10]; // 数据
	int _age;
};

int main()
{
    Student s;
    s.SetInfo("winter", 20);
}

上面结构体的定义，在 C++ 中更喜欢用 class 来代替。

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三、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。

class className
{
    // ...
};

类中的元素称为类的成员：

• 类中的数据，称为 类的属性 或 成员变量；
• 类中的函数，称为 类的方法 或 成员函数。

类的两种定义方式：

• 声明和定义全部放在类体中，需要注意：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。

  

• 声明放在 .h 文件中，定义放在 .cpp 文件中。

  

总结：

一般情况下，短的成员函数，声明和定义都放在类体中；长的函数，声明和定义分离，这样也能够更清楚的看到类的结构。

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四、类的访问限定符及封装

4.1 类的访问限定符

访问限定符分为三种：

• public（公有）
• protected（保护）
• private（私有）

访问限定符说明：

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

   （注：此处 protected 和 private 是类似的，继承时才能够更好的体现它们的区别）

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. C++中的 class 的默认访问权限为 private，struct 的默认访问权限为 public（因为 struct 要兼容C）

   class A // 默认访问权限是private
   {
       // ...
   };
   
   struct A  // 默认访问权限是public
   {
       // ...
   };
   

5. 所以：类中的成员，我想让你在类外面访问的，设置成公有；我不想让你在类外面访问，设置成私有。

注意：

访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没有任何访问限定符上的区别

【面试题】C++中 struct 和 class 的区别是什么？

解答：C++需要兼容C语言，所以 C++ 中 struct 可以当成结构体去使用。另外 C++ 中 struct 还可以用来定义类。和 class 是定义类是一样的，唯一的区别是： struct 的成员默认访问权限是 public，class 是的成员默认访问权限是 private。

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4.2 类的封装

【面试题】 面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

在类和对象阶段，我们只研究类的封装特性，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。

C++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，有选择性的将其接口提供给外部的用户使用。

类的定义和设计就体现了封装的思想：

• C语言中，没有封装，数据和方法分离，比较自由，任何人都可以随便访问数据和方法。
• C++中，有封装，数据和方法都放到类里面，同时想给你访问的，定义成公有；不想给你访问的，定义成私有。

封装本质上是一种管理：

我们如何管理兵马俑呢？C语言相当于什么都不管，不设防护栏，万一访问的人素质差，兵马俑就被随意破坏了。而 C++ 就相当于建了一座房子把兵马俑给封装起来。但不是封的死死的，不让别人看。可以参观的部分，设置售票通道，可以买票突破封装，并在合理的监管机制下进去参观。

类也是一样，我们把类中的数据和方法都封装到一下，不想给别人看到的，我们使用 protected / private 把成员封装起来。开放一些公有的成员函数对成员合理的访问。所以封装本质是一种管理。

封装能够更好的规范代码。小伙子不要不讲码德呀！

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五、类的作用域

花括号 {} 括起来的都是一个域。

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。

如果在类体外定义成员，需要使用 :: 作用域解析符指明成员属于哪个类域。

class Person
{
public:
	void PrintInfo();

private:
	char _name[20];
	int _age;
};

// 这里需要指定PrintInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintInfo()
{
	cout << _name << " " << _age << endl;
}

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六、类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化：

1. 类只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。
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。
3. 举个例子：现实中使用建筑设计图建造出房子，类就像是设计图，并没有实体的建筑存在。根据图纸建造出的房子，才能住人。同样，类也只是一个设计图，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间。

​

6.1 类成员的声明与定义（要搞清楚）

注意：

• 成员变量的定义是指：给变量分配了空间，跟是否初始化没有关系。
• 成员变量是存在对象中的，对象实例化时，才是它们定义的地方。

class Person
{
public:
	void PrintInfo(); // 对于成员函数，这是声明

private:
	char _name[20];   // 对于成员变量，这是声明（告诉你变量的类型、名称，但是没有开空间）
	int _age;
};

void Person::PrintInfo() // 对于成员函数，这是定义（实现）
{
	cout << _name << " " << _age << endl;
}

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七、类对象模型

7.1 类对象的存储方式

每个对象中成员变量是不同的，但是调用同一份函数，如果把成员变量和成员函数都存储在对象中，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会多一份代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。

总结：

• 实例化了一个对象后，系统会为该对象的数据成员分配存储空间，以存放该对象的各个数据成员（注意：分配的存储空间不包括成员函数的空间）

• 同一个类的不同对象其数据成员的值是不同的，而成员函数代码是相同的，所以存放对象时只需要存储自己的数据成员，而同一个类的各个对象的成员函数可以共用一份（单独存放在对象之外的另一段存储空间中）

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7.2 计算类对象的大小

① 计算一个类对象的大小

类对象大小：类对象中只存储了成员变量，所以只计算成员变量的大小（需要进行内存对齐）

示例：

class A
{
public:
	void func1() { cout << "func1" << endl; }
	void func2() { cout << "func2" << endl; }
	void func3() { cout << "func3" << endl; }

private:
	int _a;
	int _b;
};

int main()
{
	A a;
	cout << sizeof(a) << endl; // 输出：8
    
	return 0;
}

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② 计算一个类的大小

注意：算一个类型的大小，本质是算这个类型定义出的一个对象的大小，因为类型本身是不占空间的。

总结：

1. 一个类的大小，实际就是该类中 ” 成员变量 ” 之和（需要进行内存对齐）

2. 注意空类的大小，空类比较特殊，编译器给了空类 1 个字节来唯一标识这个类。

3. 如果一个类没有成员变量，是一个空类，那么它的对象需要给 1 字节进行占位，表示其对象存在，这 1 字节不存储有效数据。

4. 那么空类有意义吗？ – 有的，比如后面要学习的仿函数。

示例：

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A {
public:
	void func() {}

private:
	int _a;
};

// 类中仅有成员函数
class B {
public:
	void func() {}
};

// 空类
class C
{};

int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl; // 输出：4
	cout << sizeof(B) << endl; // 输出：1
	cout << sizeof(C) << endl; // 输出：1

	return 0;
}

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7.3 结构体内存对齐规则

结构体的对齐规则：

1. 第一个成员变量在与结构体变量偏移量为 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。

   • 对齐数 =「编译器默认的一个对齐数」与「该成员大小」中的较小值。

   • VS中默认对齐数为「8」，Linux中没有对齐数。

3. 结构体总大小为：最大对齐数（「所有成员变量中对齐数的最大者」与「默认对齐数」取最小）的整数倍。

4. 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。

面试题：

• 结构体怎么对齐？ 为什么要进行内存对齐？

  大部分的参考资料是这样说的：

  1. 平台原因(移植原因)： 不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。（那我们就要将数据对齐到能够访问的这些地址处）
  2. 性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。 原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

• 如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐？

• 什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景？

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八、this 指针

8.1 this 的引出

拿日期类举例：

class Date
{
public:
	void Display()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}

	void SetDate(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	int _year;  // 年
	int _month; // 月
	int _day;   // 日
};

int main()
{
	Date d1;   // 实例化对象d1
	Date d2;   // 实例化对象d2
	d1.SetDate(2021, 10, 8);
	d2.SetDate(2022, 10, 8);
	d1.Display();
	d2.Display();

	return 0;
}

对于上述类，思考这样的一个问题：

Date 类中有 SetDate 与 Display 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 SetDate 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？

成员函数怎么辨别当前调用自己的是哪个对象呢？—— 隐含的 this 常量指针（它指向了调用自己的对象）

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 “ 增加了一个隐含的「常量指针」参数，让该指针指向调用本函数的对象，在函数体中对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。

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现在再来看刚才写的日期类：

成员函数隐含的 this 指针指向哪个对象，在成员函数中就可以通过 this 指针来访问哪个对象中的数据。

class Date
{
public:
    // 编译器会解释为：void Display(Date* const this)
	void Display()
	{
		cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
	}
	
    // 编译器会解释为：void SetDate(Date* const this, int year, int month, int day)
	void SetDate(int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
        
        // 成员函数内，可以显示的在成员前加上 this->
        // 我们不加的话，默认也会在成员前加上 this->
        
        this->Display();
        
        // 成员函数中还可以调成员函数，因为有 this 指针
	}

private:
	int _year;  // 年
	int _month; // 月
	int _day;   // 日
};

int main()
{
	Date d1;
	Date d2;
	d1.SetDate(2021, 10, 8); // 编译器会解释为：d1.SetDate(&d1, 2021, 10, 8);
	d2.SetDate(2022, 10, 8); // 编译器会解释为：d2.SetDate(&d2, 2022, 10, 8);
	d1.Display(); // 编译器会解释为：d1.Display(&d1);
	d2.Display(); // 编译器会解释为：d2.Display(&d2);

	return 0;
}

最后再回想一下 C 语言中，方法是怎么辨别当前调用自己的是哪个对象呢，其实原理和C++是一样的。

看完下面这段 C 语言代码，你就能够更好的理解 this 指针了。

在C语言中，数据和方法分离，方法必须要传结构体指针，指向调用该方法的结构体对象，这样才能在方法中访问这个对象中的数据。

// c
struct Student
{
	char _name[10]; // 数据
	int _age;
};

// 思考：为什么这里必须传结构体指针呢？
void SetStudentInfo(struct Student* ps, const char* name, int age)
{
    strcpy(ps->_name, name); // p类比cpp的this->
    ps->_age = age;
}

int main()
{
    Student s;
    s.SetStudentInfo(&s, "winter", 20);
}

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8.2 this 指针的特性

1. this 指针的类型：类类型* const this，是一个常量指针，所以 this 指针的指向是不能更改的。

2. 只能在 “ 非静态的成员函数 ” 的内部使用，静态成员函数是没有 this 指针的。

3. this 指针本质上其实是一个成员函数的形参，是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（VS中一般由编译器通过 ecx 寄存器自动传递），不需要用户传递。

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【面试题】

① this 指针是存在哪里的？（栈 / 堆 / 静态区 / 常量区）

常犯的错误：this 指针是存在对象里面的。

this 指针是形参，形参和函数中的局部变量都是存在函数栈帧里面的，所以 this 指针可以认为是存在栈中的。

注：VS下为了提高效率，this 指针是通过寄存器 ecx 传递的，如图：

拓展：去 Linux 中验证 gcc 下，this 指针是存在哪里的？

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② this 指针可以为空吗？

请看下面这两道题：

1. 下面程序的运行结果是什么？ A. 编不译通过；B. 运行崩溃；C. 正常运行

   class A
   {
   public:
   	void Show()
   	{
   		cout << "Show()" << endl;
   	}
   
   private:
   	int _a;
   };
   
   int main()
   {
   	A* p = nullptr;
   	p->Show();
   }
   

   答案解析：正常运行

   成员函数的地址不存在对象中，存在公共代码段，那么这里调用成员函数，会去 call 函数的地址，不会去访问 p 指向的空间，也就不存在空指针解引用了。这里是把 p 传递给 Show 函数隐含的 this 指针形参，而 Show 函数中也没有对 this 指针解引用，所以正常运行。

   补充：

   A a;
   A* p = &a; // p指向对象a
   
   p->_a;     // 这里是在p指向的空间上（即对象a的空间）访问（对象a的）成员_a，是一个解引用行为
   p->Show(); // 这里只是把p（对象a的地址）传递给Show函数隐含的this指针形参，没有解引用
   

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2. 下面程序的运行结果是什么？ A. 编不译通过；B. 运行崩溃；C. 正常运行

   class A
   {
   public:
       void PrintA()
       {
           cout << _a << endl;
       }
   
   private:
       int _a;
   };
   
   int main()
   {
       A* p = nullptr;
       p->PrintA();
   
   }
   

   答案解析：运行崩溃

   因为函数中的 this->_a，要访问对象的成员变量 _a，需要对 this 指针解引用，才能访问到对象中的数据，而传入的对象地址是 nullptr，所以 this 指针也是 nullptr，所以崩溃了。

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