【C++心愿便利店】No.4---C++初谈类和对象

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前言

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专栏：C++ 心愿便利店
本章内容：类和对象
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、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。

二、类的引用

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

C语言版

结构体中只能定义变量，并且声明栈类型的变量时，必须写全struct Stack。

typedef int DataType;
struct Stack
{
	DataType* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

struct Stack s;//声明一个结构体变量

C++版

C++中，struct结构体升级成了类，它里面不仅可定义变量，还可以定义函数，并且声明栈类型变量的时候，可以不加struct。声明的变量可以通过.去调用类里面的函数。

#include
using namespace std;
//C++兼容C语言，结构用法可以继续使用
//同时struct也升级成了类
struct Stack
{
	//成员函数
	void Init()
	{
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}
	void Push(int x)
	{
		//...
	}
	//成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

int main()
{
	Stack st2;//C语言是不允许这样定义结构体但是C++可以
	st2.Init();//调用类里面的函数
	st2.Push(1);
	st2.Push(2);
	st2.Push(3);
	st2.Push(4);
	return 0;
}

三、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

//定义一个人的类
class Person
{
public:
	//成员函数——显示基本信息
	void showInfo()
	{
		cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;
	}
public:
	//成员变量
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

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(不会进入符号表，否则在.h中定义在其他文件中包含，包含了以后符号表中都有一份就冲突了)处理。

2. 类声明放在.h文件中,成员函数定义放在.cpp文件中

Person.h文件
//定义一个人的类
class Person
{
public:
	//成员函数——显式基本信息
	void showInfo();
public:
	//成员变量
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

Person.cpp文件
#include "Person.h"
//显示基本信息，实现：输出名字、性别、年龄
void Person::showInfo()
{
	cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;
}

注意：成员函数名前需要加类名::

一般情况下,更期望采用第二种方式

四、类的访问限定符及封装

1. 类的访问限定符

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

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，类里面不受访问限定符的限制

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。

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

五、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;
}

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

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

3. 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，类不能存数据，类实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间

#include
using namespace std;
class Person
{
public:
	//成员函数——打印基本信息
	void Print()
	{
		cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
	}

	//成员变量
	const char* _name;//姓名
	const char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};
int main()
{
	Person r;//用类实例化一个对象r
	r._name = "张三";
	r._sex = "男";
	r._age = 30;
	r.Print ();
	return 0;
}

七、类对象模型

1. 计算类对象的大小

#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;
	return 0;
}

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。

2. 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。

八、this指针

1. this指针的引出

有一个奇怪的现象：

#include
using namespace std;
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;
};
int main()
{
	Date d1;
	Date d2;
	d1.Init(2023, 8, 20);
	d1.Print();
	d2.Init(2023, 8, 21);
	d2.Print();
	return 0;
}

对于上述类，有这样的一个问题：
上面的代码定义了一个日期类Date，然后又定义了两个类对象d1和d2，然后用这两个对象分别去调用成员函数Print()，在类对象模型部分说过，成员函数是所有对象公有的，存放在公共代码区。那就意味着d1和d2调用的是同一个Print()，既然调用的是同一个，那为什么d1调的时候，打印出来的是d1的日期，d2调的时候，打印的是d2的日期？

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。

温馨提示:

• this在实参和形参位置不能显示写----void Init(Date*this，int year, int month, int day)
• 但是在类里面可以显示的用----this->_year = year;

2. this指针的特性

• 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

3. this指针存在哪里?

this指针是一个形参，存在栈上，但是VS下存在ECX寄存器下。编译器在生成程序时加入了获取对象首地址的相关代码，并把获取的首地址存在寄存器ECX中（其它编译器可能不同），也就是说成员函数的其它参数都正常存放在栈中，而this指针存放在ECX寄存器中

4. 经典面试题:this指针可以为空吗?--可以但要视情况而定

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
#include
using namespace std;
class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

答案及解析：C
上述代码，定义了一个A类型的指针p，并把它置为空，然后用这个指针p去调用成员函数，这种情况是不会发生解引用的，因为Print()的地址不在对象中而是在公共代码区域，所以是在编译的时候在公共代码区域拿着Print名字去找地址然后call(地址)

其次p会作为实参传递给this指针。传递空指针不会报错，此时成员函数中的this指针，是拷贝的p指针的值，所以此时的形参this指针是nullptr。
虽然this指针是空，但是在Print成员函数中，我们并没有去访问任何类中的其他成员(例如：this->_a)，这就意味着，我们根本就没有使用这个this指针，所以代码可以正常运行。

A选项是最应该先排除的选项，因为空指针的问题是属于运行时错误，不是编译报错。

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
#include
using namespace std;
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();
	return 0;
}

答案及解析：B
和上面的代码一样，这段代码的this指针也是nullptr，但是在成员函数Print中使用了类中的其他成员_a，这就相当于this->_a，而this是一个空指针，这就成了解引用空指针，所以会运行崩溃。

什么是空指针引用:如果一个指针变量的值为NULL,解引用这个指针时,会导致程序崩溃

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