【C++】类和对象（上）

目录

1 类的引入

2 类的定义

3 类的访问限定符及封装

3.1 访问限定符

3.2 封装

4 类的作用域

5 类的实例化 

6 类对象的存储方式

7 this指针

7.1 this指针的引出

7.2 this指针的特性

7.3 关于this指针的面试题

1.this指针存在哪里？

2.this指针可以为空吗？

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1 类的引入

C++ 在 C 语言的基础上增加了面向对象编程，C++ 支持面向对象程序设计。在C++中，C语言的结构体升级成了类，类是 C++ 的核心特性，通常被称为用户定义的类型。可以理解是一种自定义类型，本质是类型。

在C语言中，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。

我们来看看C++是如何通过类来实现栈的：

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;
}

C++当中的结构体已经升级成为了类，但是为了兼容C语言仍保留了struct的写法。实际在C++中更喜欢用class来代替。

2 类的定义

定义一个类的模板如下：

class className
{
           // 类体：由成员函数和成员变量组成
};         // 和结构体一样，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

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。

类一般有两种定义方式：

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。
2. 声明和定义分开给，声明放在头文件中，定义放在.cpp文件中。注意：成员函数前要用类名::修饰。

一般在进行比较大型的项目开发时更倾向于使用第二种方式来实现模块化开发，但是在日常学习中为了方便更多使用的是第一种方式。

类还有一个成员变量命名的坑，来看如下程序：

// 我们看看这个函数，是不是很僵硬？
class Date
{
public:
    void Init(int year)
    {
    // 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？
    year = year;
    }
private:
    int year;
};

上述代码中，有两个year。一个是类域的成员变量year，一个是函数局部域的year。根据局部优先原则，Init函数中的两个year都是形参year，相当于自己给自己赋值。

所以为了避免这种情况，一般建议对成员变量采取加前缀等方法命名，如：

class Date
{
public:
    void Init(int year)
    {
        _year = year;
    }
private:
    int _year;
};

3 类的访问限定符及封装

3.1 访问限定符

封装是C++的一个特性。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。

访问限定符的说明：

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

所以，在C++中，class和struct并不一样。

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：在后期学习的继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别。

一般我们习惯将成员变量设置为private，可以将其视为一种约定俗成的规范。直接访问类对象中的成员变量其实是一种不好的行为。

3.2 封装

封装是指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。

4 类的作用域

类定义了一个新的作用域，我们称其为类域。类的所有成员都在类域中。在类体外定义类内成员时（如声明和定义分离时），需要用域作用限定符::来表明成员属于哪个类。

5 类的实例化 

类的实例化是指：用类类型创建新对象的过程。

类是对对象进行描述的类型，就像一个模型，限定了一些成员。对类进行定义并没有分配实际空间来储存它，只有通过类的实例化实例出的对象才占有真正的空间。

打个比方，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。

6 类对象的存储方式

我们知道，类中有成员变量和成员函数，那么类经实例化之后产生的对象在内存中是如何存储的呢？

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。

其实C++中是这样解决这种问题的。每个对象的成员变量单独存储，而由于对象的成员函数都是一样的，为了节省空间，就将成员函数存储在公共代码区，不在存储对象的空间中。

于是，一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”大小之和，遵循结构体内存对其规则。

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。

注：注意空类的大小，空类比较特殊，编译器给了空类开了一个字节的空间来唯一标识这个类的对象。

7 this指针

7.1 this指针的引出

先来看看this指针的问题是如何引出的。我们来定义一个日期类。

class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    void Print()
    {
    cout <<_year<< "-" <<_month << "-"<< _day <

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++中是通过引入this指针解决该问题的，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。

主函数里的四个函数调用，编译器其实会将其处理为：

    d1.Init(&d1,2022,1,11);
    d2.Init(&d2,2022, 1, 12);
    d1.Print(&d1);
    d2.Print(&d2);

注：this指针在形参和实参的位置不能显示的写，但是在类里面可以显示的用 。也就是说，我们不能在给参数的时候直接给函数，但是在类里面可以用指针访问对象。

7.2 this指针的特性

this指针有如下四个特性：

        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

 

7.3 关于this指针的面试题

1.this指针存在哪里？

this指针是一个形参，一般来说是存在栈帧里面。

但是并不是所有编译器都是这样的。对于vs一般会直接用ecx寄存器直接传递。

2.this指针可以为空吗？

this指针其实也可以为空，当我们调用函数时，如果函数内部不需要使用到this,也就是不需要通过this指向当前对象并对其进行操作时才可以为空(当我们在其中什么都不放或者在里面随便打印一个字符串)，如果调用的函数需要指向当前对象，并进行操作，则会发生错误（空指针引用）就跟C中一样不能进行空指针的引用。

对于这个问题，我们来看以下两段代码。 

//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 Print()
    {
        cout << "Print()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}

上述代码可以正常运行，因为Print是存放在公共代码区的成员函数，编译器在调用这个函数时直接call该函数的地址，所以此处尽管看上去有对空指针的解引用但实际上编译器并没有执行解引用操作。

所以对于上述代码，即使是改为(*p).Print()，也是可以正常运行的，还是一样的道理，编译器直接在公共代码区call函数的地址，并没有执行解引用操作。

// 2.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<PrintA();
    return 0;
}

上述代码会运行崩溃，这是因为调用的函数中需要指向当前对象并进行操作，就造成了空指针引用的错误。