【C++】类和对象（上篇）（万字）

C++学习历程：类和对象

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1. 面向过程和面向对象初步认识

• 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。

图例：

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2. 类的引入

C++的结构体语法兼容C

//C++兼容C结构体的语法
struct ListNodeC
{
	int val;
	struct ListNodeC* next;
};
//C++同时也支持这种语法
struct ListNodeCpp          //C语言不支持这样写
{
	int val;
	ListNodeCpp* next;
};
int main()
{
	struct ListNodeC n1;
	ListNodeCpp n2;
	return 0;
}

注意： struct ListNodeCpp 组合在一起才是一个类型；而 C++ 支持 ListNodeCpp n2 的原因是 struct 已经升级成类了，这个类就可以定义类型，而C不行。

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，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
{
		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;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

对比结构体/类实现栈

#include
using namespace std;
namespace byh_c
{
	struct Stack
	{
		int* a;
		int top;
		int capacity;
	};
	void StackInit(struct Stack* ps){}
	void StackPush(struct Stack* ps, int x){}
	//...
}
namespace byh_cpp
{
	class Stack
	{
	public:
		void Init(){}
		void Push(int x){}
	private:
		int* a;
		int top;
		int capacity;
	};	
}
int main()
{
	struct bitc::Stack stc;
	bitc::StackInit(&stc);
	bitc::StackPush(&stc, 1);
	bitc::StackPush(&stc, 2);
	
	bitcpp::Stack stcpp;
	stcpp.Init();
	stcpp.Push(1);
	stcpp.Push(2);
	
	return 0;
} 

• 对于程序的可读性来说：使用类可以把内部的 Stack 省略；但是使用结构体不能省略
• 类实现的内部的方法比结构体实现的少一个参数，这个先放着，因为它跟下面的 this 指针有关系
• class Stack 和 struct Stack 会命名冲突 (C++ 认为它俩都是类)，所以这里使用命名空间解决
• 上面这个程序的 byh_cpp 域里的 Stack 类里有个 public，这里就牵扯出 C++ 的一个新概念 —— 类的访问限定符

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3. 类的定义

class className	
{
	//类体：由成员函数和成员变量组成
}; //注意后面的分号

• 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。

• 类的两种定义方式:

第一种：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。

第二种： 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::

一般都会采取第二种方式

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4. 类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

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:

• 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(此处protected和private是类似的，只有学到继承才会有区别)
• 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的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)

class Stack
{
//想在类外直接访问的定义成公有
public:
	void Init(){}
	void Push(int x){}
	void Pop(){}
	void Destory(){}
//不想在类外直接访问的定义成私有
private:
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

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:

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public，class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，后序给大家介绍。

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4.2 封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。这里只是最出名的三大特性，其实严格来说不止三大特性 —— 抽象、反射(java) 等

• 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。

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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。

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;
}

一般情况下定义类都要使用class，如果全部成员都需要是公有就使用struct

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6. 类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

成员变量/函数的声明和定义 :

text.h:

text.cpp

main.cpp

• 对于成员函数声明是 void Init () ; 定义是 void Queue : : Init () { }
• 对于成员变量声明是 QueueNode head ; 定义是 Queue q;

• 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。

• 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

int main()
{
Person._age = 100; // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
return 0;
}

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。

• 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

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7. 类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

#include
using namespace std;
struct QueueNode
{
	QueueNode* next;
	int val;
};
class Queue
{
public:
	void Init();
	void Push(int x);
	void Pop();
private:
	QueueNode* head;
	QueueNode* tail;
};
int main()
{
	Queue q1;
	q1.Init();
	q1.Push(1);
	q1.Push(2);
	q1.Push(3);
	
	Queue q2;
	q2.Init();
	q2.Push(1);

	cout << sizeof(q1) << endl;
	cout << sizeof(q2) << endl;
	return 0;
}

• q1 和 q2 的大小是否一样呢？

q1 和 q2 只是在栈上存储了指针指向堆里，所以不管 Push 了多少个数据，它的大小都是相同的，就像设计图和房子，一个房子住三个人，另一个房子住一个人，不会影响图纸的大小,注意类是不占内存空间的，它在编译前是放在文件里的，存在磁盘上。编译后，变成指令存在公共代码段；它定义的对象才会占用内存空间。算类型的大小就等同于算类型定义的对象的大小

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7.2 类对象的存储方式猜测

• 对象中包含类的各个成员

缺陷：每个对象中成员变量是不同的，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。

• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

观察下面类的大小是多少

#include
using namespace std;
class A
{
public:
	void Print()
	{}
private:
	int i;
	char ch;
};
//没有成员变量的类
class B
{
public:
	void Print()
	{}
};
//空类
class C
{};
int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
	cout << sizeof(B) << endl;
	cout << sizeof(C) << endl;
	return 0;
}

这里 A 占 8 个字节 (同结构体内存对齐)、B 占 1 个字节、C 占 1 个字节

• 没有成员变量的类/空类为啥是 1 个字节，难道不是 0 吗?

我们说了实际上在计算类型大小或者类对象时，只考虑成员变量，那它没有成员变量，应该是 0。但是这个地方不能是 0， 注意计算类型的大小本质上是算这个类型定义变量的大小。如果一个类没有成员，那么它的对象需要给 1 Byte 进行占位来标识对象的存在 —— C c1,c2; (如果没有空间你怎么表示 c1、c2 存在) ，这 1 字节不存储有效数据

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7.3 结构体内存对齐规则

• 第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
• 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。
  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。
  VS中默认的对齐数为8
• 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。
• 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。

【结构体相关面试题】

1、 结构体怎么对齐？ 为什么要进行内存对齐？

2、如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐

3、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

结构体在 C 语言部分就学习了，这里就不细讲了

结构体大小计算

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8. this指针

8.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类Date

class Date
{ 
public:
	//void Display(Date* this)
	void Display ()
	{
		cout <<_year<< "-" <<_month << "-"<< _day <<endl;
	}
	//void Init(Date* this ,int year , int month , int day)
 	void Init(int year , int month , int day)
 	{
		_year = year;//this->_year = year;
 		_month = month;//this->_month = month;
 		_day = day;//this->_day = day;

		Display();//this->Display(&d1/&d2);
 	}
private:
 	int _year ; //年
 	int _month ; //月
 	int _day ; //日
};
int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.Init(2021,1,10);//d1.Init (&d1, 2021, 1, 10);
 	d2.Init(2022,1,10);//d2.Init (&d2, 2022, 1, 10);
 	d1.Display();//d1.Display(&d1);
 	d2.Display();//d2.Display(&d2);
 	return 0;
}

我们经常会在 C++ 代码里看到变量前加一个杠 _ 或者在变量后加一个杠 _，这其实是 C++ 的规范用法， 这里的价值在如上代码就体现了 —— 如果不加杠，在初始化时就懵了 (year = year)，加杠就代表它是成员变量

• 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？

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。

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8.2 this指针的引出

• this指针的类型：类类型 const，即成员函数中，不能给this指针赋值。*
• 只能在“成员函数”的内部使用
• 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。
• 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

【面试题】

• this 指针存在哪里 ？(堆 | 栈 | 静态区 | 常量区)

常犯的错误：this 指针存在对象里面 ,这是错误的
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的，所以 this 指针可以认为是存在栈的。
VS 下为了提高效率，this 指针是通过寄存器 ecx 传递的。

• this 指针可以为空吗 ？

// 1.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
class A
{ 
public:
 	void Show()//void Show(A* this) 
 	{
		cout << "Show()" << endl;
 	}
 	void Print()//void Print(A* this) 
 	{
		cout << _a << endl;//this->_a;
	}
private:
 	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Show();//p->Show(p);

	A* q = nullptr;
	q->Print();//q->Show(q);
	return 0;
}

p->Show() ;

• 成员函数的地址不在对象中存储，存在公共代码段。这里调用成员函数，不会去访问 p 指向的空间，也就不存在空指针解引用了，这里只会把 p 传递给隐含的 this 指针，但是 Show 函数中也没有解引用 this 指针。所以这里选择 C 选项。

q->Print() ;

• 这里同上，Print 不在 p 里面，它在公共代码段，然后把 q 传递给隐含的 this 指针，至此没问题。但是在 Print 函数里访问成员变量时 _a 时会补充上 this->_a;，而这个指针是一个空指针，所以崩了。所以这里选择 B 选项。

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8.3. C语言和C++实现Stack的对比

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*
• 函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL
• 函数中都是通过Stack*参数操作栈的
• 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。

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。

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