C++初阶学习—类和对象（上篇）

1.面向过程和面向对象的初步认识

面向过程与面向对象

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，将一件事拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成。

如何理解面向过程和面向对象呢？

简单举个洗衣服过程的例子：

若我们关注洗衣服的过程（面向过程）：人将衣服放进洗衣机，倒入洗衣粉，启动洗衣机，洗衣机运行完成洗衣过程并甩干。

这其中牵扯到了四个对象：人，衣服，洗衣粉，洗衣机

倘若我们只关注这四个对象（面向对象）：那么我们就知道洗衣服的过程其实就是由人，衣服，洗衣粉，洗衣机这四个对象通过交互完成的，而过程是怎么完成的，我们不需要关注，这就是面向对象。

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，也可以定义函数。

例如：

struct Test
{
	//成员变量
	int a;
	int b;
	//成员函数
	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
};
int main()
{

	return 0;
}

上述结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

3.类的定义

class className
{
  //类体，又成员函数和成员变量组成  
};//跟结构体一样要注意分号！

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（符合内联条件时）。

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::
   

一般情况下，更期望采用第二种方式：便于阅读代码，快速了解类的框架并知道此类的意义与功能

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：用类将对象的属性和方法结合在一块，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

C++中struct和class的区别是什么？

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。

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。 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。

对于一个类：如果不进行封装，直接在类外使用，由于不清楚函数实现的底层逻辑，有可能会出错，比如取栈顶元素有两种写法，但是你不知道别人是哪种写法从而导致错误

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;
}

6.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；

2. 一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象将占用实际的物理空间来存储类成员变量。

3. 类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，类就是设计图。

7.类的对象大小的计算

7.1如何计算类对象的大小？

class Person
{
public:
	//显示基本信息
	void showInfo()
	{
		cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
	}
private:
	char* _name;
	char* _sex;
	int _age;
	
};

一个类当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？类的大小又是如何计算的呢？

首先，我们要先知道类在内存中是如何存储的。

7.2类对象的存储方式猜测

第一种：直接存，且变量和函数全部存在一起

**缺陷：**每个对象中成员变量是不同的，但都是调用同一份函数，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，**相同函数代码保存多次，浪费空间。**那么如何解决呢？

第二种：代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址（也就是把代码提取到一块单独的地方，形成一个函数表，然后用一个指针去指向此函数表的首地址，类似于一个指针数组，数组成员是函数）

第三种：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

第三种方法被C++所采用，也就是类在的存储方式就是第三种猜测方式

但是这种方式，我们会发现，这样一来，对象和函数间无关联，那么调用时该如何去找呢？

其实，一个对象在调用函数时，是不会在运行时去找的，而是编译器在编译链接时根据函数名字去公共代码区找到函数地址，然后编译器在去call函数的地址。

那么该如何去证明这一结论呢？

我们用一个程序来证明

//假设有一个类A,其中有成员函数func()
A* ptr=nullptr;
ptr->func();

乍一看，此程序是野指针问题，因此程序肯定崩溃了，其实不然，此程序会正常运行，同学们可自行尝试。

为什么正常运行呢？

若与上面的结论关联起来，我们就恍然大悟了，成员函数其实并没有存在对象里面，而是在公共代码区，所以根本就不会去解引用指针去找（不会在运行时去找），所以不会是因为使用了野指针而崩溃，而是编译时是编译器根据名字公共代码区去找，因此正常调用。也就是说这里是不会解引用的。

这样又有一个疑问，那既然这样的话，为什么要传一个对象呢？

传对象，用对象去调是为了让编译器知道此函数名是这个类的，去这个类的公共代码区去找函数地址才能正确的去call。而如何知道是此对象在调用则要由后面的this指针来解答。

7.3结构体内存对齐规则

现在我们知道了类对象的存储方式，那么如何去计算类的大小呢？

现在我们知道，成员函数是在公共代码区的，因此类对象的大小就是其内置函数在内存中存储占用的字节大小，所以又要回到C语言是如何计算结构体大小的——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。

比如int i=8；占四个字节，vs默认对齐数为8，则取4为对齐数

结构体总大小会最大对齐数的整数倍

8.类成员函数的this指针

8.1this指针的引出

先来定义一个日期类Date：

#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; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};
int main()
{
	Date d1, d2;//实例化两个日期类
	d1.Init(2021, 5, 25);//设置d1的日期
	d2.Init(2021, 5, 26);//设置d2的日期
	d1.Print();//打印d1的日期
	d2.Print();//打印d2的日期
	return 0;
}

对于上述类，有这样的一个问题：

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。

隐藏了this指针

传参也隐藏了

8.2this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

我们在前面提到过

//假设有一个类A,其中有成员函数func()
A* ptr=nullptr;
ptr->func();

此程序是不会崩溃的，是因为类的存储方式的关系，那么下面代码会是什么情况呢？

class A
{
    public:
    void PrintA()
    {
        cout<<_a<Print();   //典例1
    p->PrintA();  // 典例2
}

在典例1中，没有通过解引用去调用函数，而是在编译时在公共代码区找到地址并调用，而参数还是照样会传过去（隐藏）并由this指针接收，但函数内部也没有使用this指针，因此典例1正常运行。

在典例2中，同样也没有通过解引用去调用函数，而是在编译时在公共代码区找到地址并调用，而参数也同样传过去且由this指针接收，但情况不同的是，在函数内部对this指针（隐藏）进行了解引用，而此时this指针是接收了p指针（空指针），因此造成了野指针问题。所以典例2运行崩溃。

8.3this指针的存储区域

this指针作为形参，显然存在栈区上，但是在vs编译器下会进行优化，放在寄存器里，因为如果要频繁使用成员变量，放在寄存器快一点，使得this访问变量提高效率。（取决于编译器）

，而是在编译时在公共代码区找到地址并调用，而参数还是照样会传过去（隐藏）并由this指针接收，但函数内部也没有使用this指针，因此典例1正常运行。

在典例2中，同样也没有通过解引用去调用函数，而是在编译时在公共代码区找到地址并调用，而参数也同样传过去且由this指针接收，但情况不同的是，在函数内部对this指针（隐藏）进行了解引用，而此时this指针是接收了p指针（空指针），因此造成了野指针问题。所以典例2运行崩溃。

8.3this指针的存储区域

this指针作为形参，显然存在栈区上，但是在vs编译器下会进行优化，放在寄存器里，因为如果要频繁使用成员变量，放在寄存器快一点，使得this访问变量提高效率。（取决于编译器）