C++：类和对象（上）

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1 面向过程与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，通过函数调用逐步解决问题。

如下，假设我们需要完成洗衣服的任务，则C语言考虑的就是将洗衣服整个过程分成一个个步骤：

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。

如下，同样是洗衣服这件事，可以将其分为四个对象：人、衣服、洗衣粉、洗衣机 。整个过程中，人需要将衣服放进洗衣机、倒入洗衣粉、启动洗衣机；洗衣机完成洗衣并甩干。整个过程主要是由人、衣服、洗衣粉、洗衣机四个对象之间的交互完成的，人不需要关注洗衣机具体是如何洗衣服的，是如何甩干的。

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2 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（兼容C的语法），也可以定义函数。 如：用C语言方式实现的栈，结构体中只能定义变量；而现在以C++方式实现，struct 中还可以定义函数。

C++栈实现部分代码示例：

#include 

using namespace std;

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;
}

对于上述示例的结构体定义，在C++中更习惯用 class 来代替，并将其称之为 类 。

以定义一个节点类型为例，C中 struct ListNode 是类型，在结构体定义中必须连起来使用；而在C++中，ListNode 就是一个类，在结构体定义中可直接使用。

//C语言中
typedef struct ListNode {
{\kern 8pt} int val;
{\kern 8pt} struct ListNode* next;
}LNode;

//C++中
struct ListNode {
{\kern 8pt} int val;
{\kern 8pt} ListNode* next;
};

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3 类的定义

class ClassName{
{\kern 8pt} //类体：由成员函数和成员变量组成
}; //注意后面一定要记得跟分号

其中：

• 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的分号不能省略。
• 类体中的内容称为 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 成员函数。其中类中成员变量与成员函数定义的先后不会影响成员函数的使用。

类的两种定义方式：

1. 声明和定义全部放在类体中，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来处理。
   
   
2. 类的声明放在 .h 文件中，成员函数定义放在 .cpp 文件中，注意：成员函数名前面需要加 类名:: ，以提醒编译器该函数不是全局函数，而是某个类中的成员函数。（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。在类外定义成员时，需要使用域操作符 :: 指明成员属于哪个类域）
   
   一般情况下，建议使用第二种方式

成员变量命名规则的建议：

示例：

这里我们定义一个日期类，其中包括有初始化成员函数，用于初始化日期（成员变量年、月、日），当我们不注意使初始化成员函数的形参名与类中成员变量同名时，就会产生歧义而无法得到正确结果（函数优先使用自身局部中的变量）。

基于此：推荐在成员变量名前添加 _，如 int _year; 。当然，还有可以用其它方式，一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行。

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4 类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

访问限定符：

• 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。
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，访问权限作用域就到}（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，没有任何访问限定符上的区别

关于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定义类默认的访问权限是private。（在继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别）

4.2 封装

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，提高了安全性。

C++实现封装的方式：用类将对象的属性（成员变量）和方法（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。

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、键盘、显示器、USB插孔等，通过这些让用户和计算机进行交互，完成日常事务，但实际上电脑中真正工作的却是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（如主板上的线路是如何布局的，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，计算机产商在出厂时，在计算机外部套上壳子，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++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的实现细节，控制哪些方法可以在类外部直接被使用。

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5 类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化。（注意：我们对一个变量的类型及名称的说明即为声明，声明并没有真正的定义了变量，只有为变量开辟了空间才算是真正定义了变量，而对于类，这个定义过程（或者说开辟空间）就叫做类的实例化。）

• 类是对对象进行描述的，是一个 模型 一样的东西，限定了其中有哪些成员。定义一个类并没有分配实际的内存空间来存储它。（比如人就可以看作一个类，其中描述了人的具体属性（姓名，性别，年龄等）及完成某件事的行为方式等）
• 一个类可以实例化多个对象（就好比多个不同的人个体），实例化出的对象，占用实际的物理空间以存储类成员变量。

int main()
{
{\kern 8pt} Person._age = 100; // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
{\kern 8pt} return 0;
}

其中Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体年龄。（就好比问一个人的年龄，你首先得知道是哪个具体的人）

类的实例化示例：

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6 类对象模型

6.1 如何计算类的大小

同样，如下以一个日期类为例：

//日期类
class Date {
public:
	void Init(int year, int month, int day) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;//年
	int _month;//月
	int _day;//日
};

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？该如何计算类的大小？

6.2 类对象的存储方式猜测

• 猜测一：对象中包含类的各个成员
  
  
  缺陷： 每个对象中的成员变量是不同的，但是调用同一份函数（函数的实现是相同的），如果按照此方式存储，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。
  
  

• 猜测二：代码只保存一份，在对象中保存存放成员函数代码的地址
  
  
  
  

• 猜测三：只保存成员变量，成员函数放在公共代码段
  
  

那么对于上述三种存储方式，计算机到底是按哪种方式来存储的？

我们再通过对下面的不同类对象分别获取大小来分析：

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

//类中仅有成员函数
class A2 {
public:
	void f2() {}
};

//类中什么都没有---空类
class A3
{};

int main() {
	cout << "A1类的大小：" << sizeof(A1) << endl;
	cout << "A2类的大小：" << sizeof(A2) << endl;
	cout << "A3类的大小：" << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

测试结果：

可以发现： 对于既有成员变量，也有成员函数的A1类，其大小只将成员变量计算在内了，由此可见，对于之前猜测的一、二两种对象存储方式都不符合，只有第三种猜测符合测试结果；而对于只包含成员函数的类或空类，其大小都为一个字节。

结论：一个类的大小，实际就是该类中"成员变量之和"，当然并不是单纯的将每个成员变量的大小相加，还要注意内存对齐（具体结构体内存对齐规则可参看：link）；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。（这一个字节不存储有效数据，而是起占位作用，标识对象被实例化定义出来了。）

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7 this指针

7.1 this指针的引出

这里还是先定义一个日期类 Date 作为示例：

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;//年
	int _month;//月
	int _day;//日
};

int main(){
	Date d1, d2;
	d1.Init(2023, 2, 3);
	d2.Init(2023, 2, 4);
	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

思考： Date类中有Init和Print两个成员函数，函数体中没有关于对象的区分，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？

解释：C++中通过引入 this 指针来解决该问题，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的。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要主动传参，编译器自动完成。

7.2 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。

2. 我们不能显示的在成员函数参数列表中添加this指针，但可以在成员函数内部使用this指针，且this指针只能在 “成员函数” 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（作为形参，this指针是存在栈中的）。

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。（即不需要我们再在调用函数时进行对象地址的传参）
   
   

思考：this指针可以为空吗？

我们先来看看如下代码：

// 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 Print(){
		cout << "Print()" << endl;
	}

private:
	int _a;
};

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

编译运行结果：编译通过，程序正常运行，成功输出 Print()。

再看看接下来这段代码：

// 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 PrintA(){
		cout << _a << endl;
	}
	
private:
	int _a;
};

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

编译运行结果：运行崩溃，报错提示访问权限冲突，this指针是空指针。

是什么原因造成了这两种程序运行结果呢？

解释： 从前面对象存储方式的讲解中我们知道了成员函数是存储在公共代码段，当我们使用对象调用函数时（受到类域限制，虽然函数存在公共代码段，但需要使用 对象.成员函数 的方法才能进行调用，不能直接调用成员函数），不需要在对象里面进行查找，只需要在公共代码段中查找，反映在汇编指令上即是通过 call 指令跳转到函数所在地址处。两段代码的区别在于，第一段代码中调用的成员函数中没有用this指针访问对象中成员变量的操作，因此运行函数时，并没有用this指针进行解引用操作，也就不会有访问冲突和空指针异常了；而第二段代码中调用的成员函数中使用this指针进行了解引用来访问对象中的成员变量，而this指针又是空指针，无法进行解引用，因此发生了空指针异常，程序运行崩溃。事实上，我们通过对象指针去访问对象的成员函数时，是否有对this指针进行解引用，不是看有没有解引用符号（-> 或 *），而要看程序运行时是否需要到对象中进行查找，若是需要，则表示有解引用，反之不然。

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8 C语言和C++栈（Stack）实现的对比

1. C语言实现

#include 
#include 

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。

C语言中结构体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 ，而且实现上相对复杂一点，涉及到大量的指针操作，稍不注意可能就会出错。

2. C++实现

#include 

using namespace std;

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有机结合，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再传递 Stack* 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语言中需要用户自己维护。

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以上是我对C++中类和对象的一些初步认识，如有错误，希望大家帮忙指正，也欢迎大家给予建议和讨论，谢谢！