C++类与对象（上）
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<5>前言：C++的面向对象程序设计思想，类与对象，是一种新的变成设计思想区别于C语言的面向过程。
目录
一.面向过程和面向对象初步认识
二.类的引入
三.类的定义
（1）类的大致结构
（2）类的两种定义方式
四.类的访问限定符及封装
（1）访问限定符
（2）封装
五.类的作用域
六.类的实例化
七.类对象模型
（1）如何计算类对象的大小
八.this指针
（1）this指针的引出
（2）this指针的特性
九.C语言和C++实现Stack的对比
（1）C语言实现栈
（2）C++实现栈
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。
例如：洗衣服
在面向过程中我们关注的是每个过程，通过每个过程的衔接，最后完成事件的需求。
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。
在面向对象过程中，我们更加关注事物对象，对象可以有自己的功能和属性，通过各个对象之间的交互，来完成事件的需求。
二.类的引入
C语言结构体中只能定义变量，C++保留了C语言结构体的语法，而且C++在C语言的基础上对结构体进行扩展，使得结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。
例如：我们在数据结构里面实现过的栈结构，我们就可以尝试使用C++的结构体进行实现。
struct Stact
{
typedef int STDateType;
//初始化
void StactInit()
{
capacity = 4;
top = 0;
date = (STDateType*)malloc(sizeof(STDateType)*capacity);
}
//入栈
void StactPushBank(STDateType x)
{
if (capacity == top)
{
STDateType* tmp = (STDateType*)realloc(date, sizeof(STDateType) *capacity * 2);
if (tmp == NULL)
{
perror("realloc");
exit(-1);
}
date = tmp;
capacity *= 2;
}
date[top++] = x;
}
//栈空
bool StactEmpty()
{
//....
}
//栈顶
STDateType StactTop()
{
//....
}
//...
STDateType* date;//数据域
int capacity;//容量
int top;//栈顶位置
};在结构定义变量时，我们可以不再像C语言中加上结构体关键字（struct），C++支持直接使用结构体名称定义变量。
int main()
{
//直接使用结构体名称定义变量
Stact S;
//访问结构体成员
S.Init();
S.PushBank(100);
S.PushBank(200);
S.PushBank(300);
//检验
for (int i = 0; i < S.top; i++)
{
cout << S.date[i] << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
其实这里的S，就是一个由Stact定义的类了，不过再C++中我们定义类，更习惯用关键字class来定义类。
三.类的定义
（1）类的大致结构
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。
（2）类的两种定义方式
1.声明和定义全部放在类体中
class People
{
void Init(char* str, int a = 20, char s = 'm')
{
name = str;
age = a;
sex = s;
}
void Show()
{
cout << name << " " << age << " " << sex << endl;
}
char *name;
int age;
char sex;
};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
在类中写函数声明，将函数定义写在.cpp文件中：
//class.h文件
class People
{
//函数声明
void Init(char* str, int a = 20, char s = 'm');
void Show();
char* name;
int age;
char sex;
};
//class.cpp
void People::Show()
{
cout << name << " " << age << " " << sex << endl;
}
//函数缺省参数在函数声明处写出来。
void People::Init(char* str, int a, char s)
{
name = str;
age = a;
sex = s;
}注意：成员函数名前需要加类名“::”，表明该函数是一个类的成员函数不是全局函数，缺省参数在函数的声明处写，不然会有链接错误。
一般情况下，我们更希望第二种定义，企业标准也是第二种，但是在博客演示中将以第一种定义进行演示。
3.成员变量命名规则的建议：
// 我们看看这个函数，是不是很僵硬？
class Date
{
void Init(int year)
{
// 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？
year = year;
}
int year;
};所以我们一般这样区分成员变量和参数变量：m表示member（成员）
class Date
{
void Init(int year)
{
_year = year;
}
int _year;
};
// 或者这样
class Date
{
void Init(int year)
{
mYear = year;
}
int mYear;
};四.类的访问限定符及封装
（1）访问限定符
访问限定符说明：
- public修饰的成员在类外可以直接被访问
- protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此时protected和private是类似的)
- 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
- 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
- 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
【面试题】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，后序给大家介绍。
（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，控制一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;
}
Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。
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，实例化出的对象
才能实际存储数据，占用物理空间。
七.类对象模型
（1）如何计算类对象的大小
class A
{
public:
void show()
{
cout << a << b << endl;
}
private:
int a;
int b;
}; 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？
是不是类的成员变量和成员函数都是存在一起的呢？
我们由三种假设：
第一种：对象中包含类的各个成员。
这种设计看着是成立的，但是存在着非常大的缺陷：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？所以我们提出第二种假设。
第二种：代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址。
将函数代码单独放置，在类中只存储函数的地址。这种设计近乎完美。但是实际上是这样的吗？如果是将成员函数的地址存储在类中，那么类的对象的大小就会包含成员函数地址的大小。我们可以通过实现来试验一下。
class A
{
public:
void show()
{
cout << a << b << endl;
}
private:
int a;
int b;
};
int main()
{
A a;
cout << sizeof(a) << endl;
return 0;
}
我们看到，A实力化出来的对象a的大小只有8字节，但是按照我们假设的，类中包含成员函数地址的话，大小应该是12字节，这也就说明：对象中没有保存成员函数的地址，更不会直接存储成员函数。其实对象中只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段，同时类的大小计算遵循内存对齐。
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。
class B
{
};
int main()
{
A a;
B b;
cout << sizeof(b) << endl;
return 0;
}
八.this指针
（1）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。
所以上述代码也可以这样写：
class Date{
public:
void Init(int year, int month, int day)
{
this->_year = year;
this->_month = month;
this->_day = day;
}
void Print()
{
cout << this->_year << "/" << this->_month << "/" << this->_day << endl;
}
private:
int _year; //年
int _month; //月
int _day; //日
};（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
【面试题】
1.this指针存在哪里？
解答：this指针是一个函数形式参数，所以存储在栈中。
2. this指针可以为空吗？
解答：可以为空。
3.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;
}说明：nullptr，是C++的空指针。
解答：程序正常执行，我们看似是在对空指针解引用，实际上我们并没有解引用空指针的对象，成员函数是单独放置在代码区的，即使我们解引用了空指针，也只不过是表面上的，调用了代码区的函数。
4.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 << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = nullptr;
p->PrintA();
return 0;
}解答：程序运行崩溃，我们知道我们是可以调用成员函数的，但是成员函数访问成员变量是不行的，因为成员变量并没有分配空间。
九.C语言和C++实现Stack的对比
（1）C语言实现栈
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
DataType* array;//数据域
int capacity;//容量
int size;//栈顶、数据个数
}Stack;
//初始化
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;
}
//销毁
void StackDestroy(Stack* ps)
{
assert(ps);
if (ps->array)
{
free(ps->array);
ps->array = NULL;
ps->capacity = 0;
ps->size = 0;
}
}
//检查扩容
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
if (ps->size == ps->capacity)
{
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;
}
}
//入栈
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
assert(ps);
CheckCapacity(ps);
ps->array[ps->size] = data;
ps->size++;
}
//栈判空
int StackEmpty(Stack* ps)
{
assert(ps);
return 0 == ps->size;
}
//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
if (StackEmpty(ps))
return;
ps->size--;
}
//栈顶数据
DataType StackTop(Stack* ps)
{
assert(!StackEmpty(ps));
return ps->array[ps->size - 1];
}
//栈数据个数
int StackSize(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->size;
}
int main()
{
Stack s;
StackInit(&s);
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;
}可以看到，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++实现栈
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
//初始化
void Init()
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
if (NULL == _array)
{
perror("malloc申请空间失败!!!");
return;
}
_capacity = 3;
_size = 0;
}
//入栈
void Push(DataType data)
{
CheckCapacity();
_array[_size] = data;
_size++;
}
//出栈
void Pop()
{
if (Empty())
return;
_size--;
}
//得到栈顶数据
DataType Top() { return _array[_size - 1]; }
//栈判空
int Empty() { return 0 == _size; }
//得到站的数据个数
int Size() { return _size; }
//栈销毁
void Destroy()
{
if (_array)
{
free(_array);
_array = NULL;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
private:
//检查扩容
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:
DataType* _array;
int _capacity;
int _size;
};
int main()
{
Stack s;
s.Init();
s.Push(1);
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;
}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，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，C语言中需用用户自己维护。