【C++】类与对象 I

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前言：（C）面向过程 和（C++）面向对象 初步认识

• C语言 面向过程，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。

用洗衣服来做个例子：

• C++ 基于面向对象，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。

整个过程主要是：人、衣服、洗衣粉、洗衣机四个对象之间交互完成的，人不需要关心洗衣机具体是如何洗衣服的，是如何甩干的。 对象具体怎么完成的，那是它的事情。

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前言：类的引入

• C语言结构体：只能定义变量

  由于结构体中只能定义变量，导致函数只能在结构体外定义

  1. 导致数据和方法分离，所以必须带参数 才能访问在结构体中定义的变量 。
     
  2. 函数写在全局，必须加前缀（C中不支持同名【函数重载】）

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一、类的介绍

为了更方便使用，有了 类的产生：
C++兼容C语言struct的所有用法。 在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。

结构体struct同时升级成了类：

类[ 类型 ] = 结构体（变量定义）+ 函数定义

1. 类名就是类型，Stack就是类型，不需要 struct（ 直接当类型来用 ）

2. 类里面定义函数

3. 类也是个域

C++中Stack

typedef int DataType;
struct Stack
{
//定义函数
 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;
 }
 }

//定义变量
 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;
}

用类后，C++与C 进行对比

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替

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二、类的定义

（一）class 语法

// class ：定义类的关键字，ClassName ：类的名字
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 定义类的关键字

• ClassName 类的名字

• {}中为类的主体：

  类体中内容称为类的成员：

  1. 类中的变量 称为 类的属性 或 成员变量 。
  2. 类中的函数 称为 类的方法 或者 成员函数。

• 注意类定义结束时 后面分号不能省略。

（二）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。
   

2. 类声明 放在 .h文件 中，成员函数定义 放在 .cpp文件 中，
   成员函数名前需要加类名::
   

• ★ 正确的用法：

  1. 长的函数 声明和定义分离

  2. 短小的函数 可以直接在类里面定义
     默认直接在类里定义的 就是 inline。（ 到底展不展开，取决于编译器是否认为其长不长 ）
     

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（三）成员变量命名规则的建议：

这里会出现什么问题

class Date
{
public:
 void Init(int year /*函数参数*/ )
 {
 // 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？
 year = year;
 }
private:
 int year;  /*成员变量*/
};

结果

• 都会现在所在的域中先找
  

改进：一般，成员变量 加个区分

• [ _ 表示 内部的 ]

  1. _year 【 最常用 】

  2. year_

• [ m member 成员 ]

  2. m_year

  3. mYear 驼峰命名法

其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是 加个前缀 或者 后缀标识区分就行 。

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

// 或者这样
class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 mYear = year;       //
 }
private:
 int mYear;
};


// 其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行

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三、类的访问限定符及封装

（一）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 。

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（二）访问限定符说明

• public （公有）

  public修饰的成员 在类外可以直接被访问

• protected（保护）

• private（私有）

  protected（保护） 和 private（私有） 修饰的成员 在类外不能直接被访问 ( 此处 protected 和 private 是类似的，真正要区别二者要到继承 )

1. 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

2. 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束 。

3. 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 】

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（三）C++中 struct和class的区别 是什么？【面试题】

1. C++需要兼容C语言，所以C++中struct可以当成结构体使用。

2. 另外C++中struct还可以用来定义类。和class定义类是一样的 [ 区别：struct 定义的类 默认访问权限 是 public （C++兼容C），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，后序给大家介绍。】

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四、封装

面向对象 的 三大特性：封装、继承、多态。【面试题】

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。

（一）谈封装（ 对于 封装 的理解 ）

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，不需要关心内部核心部件，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。

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五、类的作用域

类定义了一个新的作用域。【 { } 中定义的都是 域 】

1. 类的所有成员 都在 类的作用域中。
2. 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();     //声明和定义分离
private:
 char _name[20];
 char _gender[3];
 int  _age;
};

//定义：这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
 cout << _name << " "<< _gender << " " << _age << endl;
}

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六、类的实例化

（一）对类更深入的理解：

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化 。

1. 类 是对 对象 进行的 描述，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 ，但 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 占用实际的物理空间，存储类成员变量
   

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（二）例子理解 类：

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。

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七、类对象模型

（一）如何计算类对象的大小

class A
{
public:
void PrintA()
{
   cout<<_a<<endl;
}
private:
char _a;
};

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？如何计算一个类的大小？

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（二）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
  

• 只保存成员变量，成员函数存放公共的代码段
  

问题：对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？

// 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     //没有成员 => 不需要存储数据
class A3
{};

sizeof(A1) : ______ sizeof(A2) : ______ sizeof(A3) : ______

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（ 这个字节不存储有效数据 ） 一个字节 来 唯一标识这个类的对象。

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（三）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 ：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 。

【面试题】

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

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八、this指针

（一）this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

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

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（二）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 【 和局部变量一样，存在栈帧上 】。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. CPU 访问内存 —> 嫌 访问内存太慢了

2. 经常访问的 或 小变量 => 存寄存器（ 非常快 ）

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【 只是逻辑上是这样，显式写出传递的类对象的地址，显式写出接收的 * this 指针 。实际中并不会显式写出，也不能像这样显式写出。 】

• 不能显示的写 this相关 的 实参 和 形参
• 但是可以在类里面显示的使用。（有些时候，是需要用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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C语言 和 C++ 实现Stack的对比

1. C语言实现

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)   // C 每次调用函数都要传地址过来
{
 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)                  //还要用指针去访问
 {
 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);           //每次都要 传指针
 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;
}

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

结构体中只能定义 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 ，而且实现上相当复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出错。

2. C++实现

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:                  //成员变量
 DataType* _array;
 int _capacity;
 int _size;
};


int main()
{
 Stack s;
 s.Init();                //C++不用传指针，直接在类里 可以直接用
 s.Push(1);               //把工作都交给编译器
 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;
}

• 访问限定符【 成员变量 一般是 私有的 】 => 使函数调用更规范
  

C++中通过 类可以将 数据 以及 操作数据的方法 进行完美结合，通过 访问权限 可以控制那些方法 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传递Stack*的参数了【 不需要传指针了 】，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（ 传参都由编译器来传 ），C语言中需用用户自己维护。