【C++】类和对象 — 初识类和对象（上篇）

前言

1. 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。

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。 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。

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1. 类的定义和使用方法

1.1 类的定义方式：

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，注意：成员函数名前需要加类名::

这时候要指定类域：

1.2 类的访问限定符及封装：

1.访问限定符：

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。

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

2.封装：

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。

• C语言，数据和方法是分离的 - 分离最大的问题在于太过自由
• C++通过定义让用的人使用更规范
• 高内聚，低耦合，C语言也可以实现这样规范的做法，但是要看写代码的人的素养高不高
• 在项目里面关联关系越高影响越不好

用类定义一个栈的对象演示：

class Stack
{
private:
	void Checkcapaicty()
	{}
public:
	void Init()
	{}

	void Push(int x)
	{}

	int Top()
	{}

private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int main()
{
	Stack st;//这才是定义，这里开辟空间了

	st.Init();
	st.Push(1);
	st.Push(2);
	st.Push(3);
	st.Push(4);

	cout << st.Top() << endl;
	//cout << st._a[st._top] << endl;
	return 0;
}

我们定义栈的时候，top指针的指向有两种方式：

• 一种是指向栈顶元素的下一个元素另一种是指向栈顶元素

当我们要访问栈顶元素的时候，就有两种方式访问：

• 对应上面的：一种栈顶元素下标是top - 1，另一种就是栈顶元素下标是top

越界的风险：
这时候要是用C语言写的代码，就要对写代码的人有很高的素养要求，当访问的是空栈的栈顶时，若是采用：st._a[st._top]，在top是指向栈顶元素的时候就会出现越界的风险，因为此时top指向的是-1的地址处

而C++则是使用st.Top()，将取栈顶元素封在成一个类的成员函数，只能通过这种方法获取栈顶元素，st._a[st._top] 若像这样子的话是不可以的，因为被private修饰过了不能在类外直接访问。

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C语言也能将获取栈顶元素封装成一个函数，但是C语言还可以采用st._a[st._top] 这种方法获取栈顶元素，方法和数据分离它很灵活，过于自由，不像C++的有访问权限将方法定死，这样就会有可能不规范的操作造成不必要的麻烦。

C++封装的意义是：更好的管理

C++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.

3.类的作用域：

• 类定义了一个新的作用域 （类域），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。
• 要在类里面找一个变量的话，会在整个类里面找，类整体是一个作用域叫做 - 类域

1.3 类的使用方法：

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。

1.class的由来：

• C++一开始叫C with classes
• 一开始的类是用struct来引入的

2.C++兼容C struct的用法：

• C++同时对struct进行了升级，把struct升级成了类
• 结构体的名称可以做类型
• 里面可以定义函数

C++同时对struct进行了升级，把struct升级成了类：

struct ListNode
{
	int val;
	struct ListNode* next;//C语言，这个位置必须这样写，C++兼容C的用法也可以这样写
	ListNode* next;//但是C++还可以这样写，升级以后的用法，这个名称代表类型
};

C++一般不需要对结构体进行typedef了，C++将struct升级之后，直接用类名代替整个类型。

虽然C++可以用struct，但是C++更喜欢class。

3.struct 和 class的区别：

• struct 不加访问限定符，默认是public（共有的）
• class 不加访问限定符，默认是private（私有的）

类的使用如下：

class Student
{
public:
	void Init(const char* name, const char* gender, int age)
	{
		strcpy(_name, name);//不加_这里就区分不开了
		strcpy(_gender, gender);
		_age = age;
	}

	void Print()
	{
		cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
	}

	//这里并不是必须加_
	//习惯加这个，用来标识成员变量
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
};

int main()
{
	//struct Student s1;

	//类定义的对象
	Student s2;
	s2.Init("张三","男", 18);
	s2.Print();

	//cout << s2._name << endl;

	return 0;
}

4.格式习惯：

• 成员变量并不是必须加_
• 习惯加_，是用来标识成员变量
• 当成员函数要用赋值的时候，需要改形参比较麻烦
• 这样只是一种好的习惯，要用来区分，避免歧义
• 成员变量最好前面带个_，或者后面带个_，和成员的变量区分
• 有的地方命名成m_,或者是m后面带下个单词首字母大写，都可以

5.使用习惯：

• C++中就不将s2叫做变量了，C++中将其叫做对象
• 使用方法和C语言中的结构体并无二异，通过 “.” 操作符或者 “->”
• 成员变量可以定在函数的下面或者函数的上面，中间也行
• 在类的任意位置都行，这里访问成员变量不受影响
• 普通的是向上找，类不会，类是一个整体

6.用类创造对象：

• 对象就像是房子一样
• 而类就像是造房子时要的图纸
• 一张图纸可以造出多个房子，所以一个类可以创造出多个对象
• 用类的类型创造一个对象的过程是，称为类的实例化

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2. 结构体和类的内存对齐

2.1 如何内存对齐：

一个类所创建的对象大小该如何计算呢？

1.类和结构体一样成员之间要考虑内存对齐

• 类和结构体的内存对齐是一致的
• 空类或者是没有成员变量的类要给一个字节的空间占位

那么结构体的内存对齐是如何对齐的呢？下面我们就好好讲一讲结构体和类中成员的内存是如何对齐的：

结构体和类的内存对齐规则：

(1) 第一个成员在与结构体变量偏移量为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。

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中默认的值为8：

(1) 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
(2) 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（地址）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。

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注意：

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。

结构体的大小或类的大小，实际上不是它们自身的大小，而是用它们创造出来对象所占内存的大小

类或者是结构体中的成员变量和成员函数只是声明
并没有在类里面开空间，它们在类中只是一个承诺，承诺有这个变量或者是函数的存在

真正存放类中变量的地方是用类实例化出来的对象，只有对象创建出来之后才会开空间。

2.2 成员函数存储位置：

1.成员函数存放的位置在哪？

(1)假如成员函数存放在类创建的对象中的话，会有缺陷

• 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

(2)缺陷：

• 相同代码保存多次，浪费空间！

(3)代码演示：

用下述代码来算一下函数到底是不是创建在类实例化的对象中：

#include
using namespace std;

class Date
{
public:
	void Inint(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	Date d2;

	d1.Inint(2022, 7, 25);
	d2.Inint(2022, 7, 24);

	cout << sizeof(d1) << endl;

	return 0;
}

代码的运行结果是12

解释：

• 根据我们之前讲的结构体或类的内存对齐发现这个结果刚好是三个int类型内存对齐的结果
• 结果显然告诉我们函数不是存放在类实例化的对象中的

反汇编演示：

查看了一下汇编，发现d1和d2调用的Print函数的地址是相同的，它们调用的函数地址相同，是同一个函数

(4)成员函数真正存放的位置

• 在之前C语言学习的时候我们知道，内存划分的时候，将其划分为：栈，堆，静态区，数据段，代码段…
• 成员函数就是存在代码段中的
• 每次调用的都是同一个函数所以只要存一份
• 每次都去代码段去调用就可以了，就避免了浪费空间
• 所以类对象的内存对齐是不用考虑成员函数的
  

2.空类的大小：

(1)代码演示：

#include
using namespace std;

class Date
{
public:

private:

};

int main()
{
	Date d1;

	cout << sizeof(d1) << endl;

	return 0;
}

运行结果是1

(2)总结：

• 没有成员变量的类对象，编译会给它们分配1byte占位
• 或者是当类中仅有成员函数时
• 大小不是为了存储有效数据，而是为了占位，表示对象存在过

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3. this指针

3.1 this指针的使用和特性：

先来看一个日期类：

class Date
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}

	
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(2022, 5, 11);

	Date d2;
	d2.Init(2022, 5, 12);

	d1.Print();
	d2.Print();

	return 0;
}

1.问题来了，d1调用Print函数的时候是如何得知打印的就是d1对象的成员变量的呢？同样的问题，d2呢？它们并没有传任何参数，是如何做到的呢？

• 事实上C++悄悄咪咪的新增了一个this指针，隐含的this指针
• this也是C++的一个关键字

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。

2.实际上的调用如下代码：

void Print(Date* this)
{
	cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
}

d1.Print(&d1);
d2.Print(&d2);

• this指针是一个隐含的形参
• this指针是不能被修改的，被const修饰过了，但是this指针指向的对象 是可以被修改的

3.this指针的特性：（重点）

(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

4.如果显式得去写的话就会报错:（错误写法）

• d1.Init(&d1, 2022, 5, 15);
• d2.Init(&d2, 2022, 5, 20);

编译器实际上是就是上那样传的指针，但是不能人为显示写出来，不然会报错

3.2 两道面试题巩固this指针：

(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 Show()
	{
		//this指针可以是空 - 这里的this指针就是空指针
		//const指针不能被修改但是可以被初始化
		cout << this << endl;
		cout << "Show()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//对象里面只有成员变量，没有成员函数
	A* p = nullptr;
	p->Show();
	
    return 0；
}

答案选：C

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补充：

编译器实际上是p->Print ( p ) 这样子传的指针的，但是不能人为显示写出来，不然会报错

解释：

• p是一个A类型的指针变量，其值是nullptr

p->Show()这个是没有解引用的：

• 这个函数不在对象里面，在公共的代码区域，和普通函数调用时一样的
• 不存在去指针指向的空间找函数成员，因为函数成员在代码段

p->_a = 0这个是有解引用的：

• 去指针指向的空间找成员变量，因为是访问空指针所以就会报错
• 因为空指针是不能够解引用的

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(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 << this->_a
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();
}

答案选：B

补充：

所有的空指针问题和野指针问题都是在 “运行阶段” 暴露出来的，在 “编译阶段” 是检查不出来的，所以首先排除A

解释：

• p->PrintA()此时调用成员函数时传过去的指针是nullptr
• this指针是空指针，但是在 cout << _a << endl;这一步出问题了
• 因为它其实是cout << this->_a << endl;这里是对空指针的解引用
• 空指针解引用就会报错

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3.3 this指针的存储位置：

1.this指针是存在哪里的？

• this指针是存在栈区的，因为它作为形参，是在函数的栈帧，所以是属于栈
• 一般是在栈区，有些编译器会使用寄存器优化，因为在函数里面要频繁的使用这个指针，寄存器很快

补充nullptr：

• 空指针一定是0这个位置的地址，但不是物理内存0位置的地址(虚拟地址进程地址空间)
• 物理内存不需要划分，物理地址是给任意程序映射的
• 我们平时的内存划分是虚拟内存不是电脑上的物理内存
• 空指针是一个确定存在的地址
• 空指针的位置是预留出来的，那个位置不存储任何东西，不能对这个地方进行访问

(补充可能有误，学业不精，若有错望大佬多多指点)