【C++】类和对象（上）

一、面向对象和面向过程对比

1.什么是面向过程

面向过程就是解决问题针对过程来解决，通过一步一步分解问题的步骤，通过函数调用来解决问题
把大象放进冰箱需要几步，打开冰箱 ---- 放入大象 ---- 关闭冰箱

2.什么是面向对象

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。
上面的大象冰箱问题 总共有几个参与者？ 我 大象 冰箱 三个对象

二、什么是类（class与struct）

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。

类本质就是一个工厂，他生产的产品就是对象，假设这个对象是电脑，那么类这个工厂就需要有生产cpu的方法，生产 屏幕的方法，生产主板的方法等，最终通过工厂生产出一台电脑 ，对象在没有生产前是不占用空间的。

struct与class

struct就是结构体，class本质也是结构体，但是class的内部有方法，同时struct的默认限定符为public，class的默认限定符为private

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

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：

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。

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

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:

相较而言，第二种更好一些，更规范，声明与定义分离。

三、访问限定符与封装

3.1、访问限定符

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(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，没有任何访问限定符上的区别

问题： 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，后序我们详细介绍。

3.2、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，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。

例如：C++语言中一般都会使用private修饰类的成员变量，
用户不能直接访问类中的数据，只能通过特定的接口来操作对象。这避免了我们在C语言中直接访问结构体的成员变量的所带来的风险。

四、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;
}

这里我们需要注意的是： 在类中定义的变量仅仅只是声明，并没有为变量真正开辟空间，只有当我们使用类实例化一个对象时，才会真正为类中的成员变量开辟空间。

五、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。
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

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。

六、类对象模型

6.1 如何计算类对象的大小

以前我们在学习C语言的时候，可以通过结构体的内存对齐规则来计算一个结构体的大小，但结构体中只有成员变量，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？

6.2 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。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

如果按照这种方式存储，那么当一个类创建多个对象的时候，每个对象都要保存一份函数表，也不是最优的设计方式。

• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

#include
using namespace std;

// 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 << sizeof(A1) << endl;
	cout << sizeof(A2) << endl;
	cout << sizeof(A3) << endl;
}

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

6.3 结构体内存对齐规则

1. 第一个成员在与结构体偏移量为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。
   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
3. 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。
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。

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？能否按照3、4、5即任意字节对齐？
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

1. 内存对齐是为了优化内存访问速度和内存占用。当结构体内的字段没有对齐时，CPU需要多次读取内存单元以取出一个完整的字段，而内存对齐可以让每个字段在内存中对齐占据固定的地址，避免跨界读取，提高访存速度。
2. 在C语言中，可以使用预编译指令#pragma pack(n)指定结构体的对齐方式，其中n为对齐宽度，可以是1、2、4、8等整数，也可以设置为默认值。

#pragma pack(4)
struct my_struct {
    char a;
    int b;
    short c;
};
#pragma pack()

|  a  |pad| pad| pad|  b  |  b  |  b  |  b  |  c  |  c  |pad|pad|

其中pad表示填充字节，保证各字段按照4字节对齐。

大小端很常见，具体由编译器的不同而体现，大小端在网络传输中经常考虑，小端小小小，就是低位放在低地址

七、this指针

7.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

class Date
{
public:
    //成员函数（公有的，存储在代码段中）
    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;
};
int main()
{
    Date d1;//实例化
    Date d2;
    //函数Init是如何区分是d1还是d2调用的呢？
    d1.Init(2023, 2, 10);
    d2.Init(2022, 2, 10);
}

对于这个问题，C++是通过this指针来解决的，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。

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. 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

1. this指针存在哪里？
2. this指针可以为空吗？

在C++中，this指针是一个存放于成员函数内部的指针，指向调用该函数的对象本身的地址。每个成员函数都有一个隐式的this指针，因此在成员函数内部可以使用this来访问该对象的非静态成员。在函数内，this指针的作用就像一个局部变量一样，它在函数调用时被创建，函数结束时被销毁。

在一般情况下，this指针不应该为空，因为this指针指向调用函数的对象本身，在调用函数时必须由一个实例来调用。如果在调用函数时没有指定当前对象，this指针就会为NULL或未定义，这将导致程序崩溃或不可预期的行为。因此，通常情况下，this指针是不允许为空的。

不过，对于某些特殊的情况，比如在构造函数或析构函数中，this指针可能会为NULL，这是因为在这些函数中对象的状态尚未完全构造或已被销毁。此时，如果尝试访问该对象的成员，就会导致程序崩溃或未定义的行为。

final：总结

再见了！！！