开发实战之类和结构体【c++】

c++类和结构体的区别

在 C++ 中，类（class）和结构体（struct）在技术上几乎是等价的，但它们在语义上和默认访问权限上有些细微的差别。理解这些差别可以帮助你更好地使用这两种类型并编写更清晰、更具可读性的代码。

1. 默认访问权限

• 类（Class）：默认的成员访问权限是私有（private）。这意味着，除非显式地声明为 public 或 protected，类成员在类外部是不可访问的。
• 结构体（Struct）：默认的成员访问权限是公开（public）。这使得结构体在定义接口或传递数据时更方便一些。

2. 继承的默认访问权限

• 类（Class）：默认的继承类型是私有继承（private）。这意味着基类的公有成员和保护成员在派生类中将成为私有成员。
• 结构体（Struct）：默认的继承类型是公有继承（public）。这意味着基类的公有成员在派生类中仍然是公有的，保护成员仍然是保护的。

3. 语义意图

• 类（Class）：通常用于定义更复杂的数据抽象和行为封装，强调面向对象的编程理念，如封装、继承和多态。
• 结构体（Struct）：通常用于定义较为简单的数据结构，重点在于数据的存储，而不涉及太多的行为。在 C++ 中，结构体常用于需要打包数据的场景。

示例代码

下面是展示类和结构体默认访问权限差异的简单例子：

struct MyStruct {
    int x;  // 默认是 public
};

class MyClass {
    int y;  // 默认是 private
public:
    int z;
};

int main() {
    MyStruct s;
    s.x = 5;  // 直接访问

    MyClass c;
    // c.y = 10;  // 编译错误，y 是私有的
    c.z = 10;  // 正确，z 是公有的

    return 0;
}

使用建议

• 当你需要一个对象包含数据和操作这些数据的方法，并且希望强调封装和接口/实现分离时，使用 类。
• 当你的主要目的是存储数据，并且默认公有访问符合你的需求时，使用 结构体。

虽然 C++ 的类和结构体在功能上几乎无差别，选择使用哪一个通常取决于你的设计意图和编程风格。理解这些差异并根据实际需要选择使用类或结构体，可以使你的代码更加清晰和符合预期。

在 C++ 中，结构体成员变量占用的内存大小取决于各个成员变量的数据类型及其排列（内存对齐）。由于编译器可能会在成员之间插入填充字节以满足硬件的对齐要求，实际占用的内存可能会比单纯加起来的成员大小更多。这种内存对齐可以提高运行时访问数据的效率。

内存对齐

内存对齐是根据硬件架构的需求，自动调整数据结构字段的物理存储，以符合特定的访问效率。对齐规则通常是将数据成员的偏移量设置为其类型大小的倍数。

计算结构体内存大小

基本计算方法

要计算结构体的总内存占用，你可以按以下步骤：

1. 计算每个成员的大小：使用 sizeof(类型) 获取每个成员的大小。
2. 考虑对齐填充：根据最大成员的大小（最严格的对齐要求）添加必要的填充字节。

示例

假设有以下结构体：

struct Example {
    char a;    // 占用 1 字节
    int b;     // 占用 4 字节
    char c;    // 占用 1 字节
};

在大多数平台上，这个结构体的内存布局可能如下：

• char a 占用第一个字节。
• 接下来有 3 个填充字节，以确保 int b 对齐到 4 字节边界。
• int b 占用接下来的 4 字节。
• char c 占用接下来的 1 字节。
• 可能还会有 3 个填充字节，以确保整个结构体的大小是最大对齐要求（这里是 4 字节）的倍数，取决于编译器和平台。

#include 

struct Example {
    char a;
    int b;
    char c;
};

int main() {
    std::cout << "Size of struct Example: " << sizeof(Example) << std::endl;
    return 0;
}

在大多数情况下，输出将是 12 字节，而不是 6 字节，这是因为对齐和填充的原因。

注意事项

• 不同平台/编译器差异：不同的编译器或目标平台可能有不同的对齐要求和优化策略，导致结构体的大小不一致。
• 可以使用 #pragma pack 指令：在特定编译器（如 MSVC 和 GCC）中，你可以使用 #pragma pack(n) 来强制改变结构体的默认对齐方式。
• 使用 __attribute__((packed))：在 GCC 和其他一些编译器中，可以使用这个属性指令来阻止编译器在结构体中添加填充字节。

了解和掌握结构体成员的内存占用和对齐是优化程序性能和理解底层内存布局的关键。

c++进阶之类的声明和定义

在 C++ 中，类的声明和定义是类设计的基础部分，允许您封装数据和操作数据的方法。这是面向对象编程（OOP）的核心。正确理解类的声明和定义是高效使用 C++ 的关键。

类的声明

类的声明指的是类的接口部分，通常放在头文件（.h 或 .hpp 文件）中。它包括类的名字、它的数据成员和成员函数的原型（声明），但不包括成员函数的具体实现。类的声明向使用者表明了可以对类的对象执行哪些操作。

// 文件：MyClass.h

#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H

class MyClass {
public:
    MyClass(int value);  // 构造函数声明
    void display() const;  // 成员函数声明

private:
    int myValue;  // 数据成员
};

#endif

在这个例子中，MyClass 类被声明了一个构造函数和一个名为 display 的成员函数。还有一个私有成员变量 myValue。

类的定义

类的定义通常包含在源文件（.cpp 文件）中，它提供了在类声明中列出的所有成员函数的具体实现。

// 文件：MyClass.cpp

#include "MyClass.h"
#include 

MyClass::MyClass(int value) : myValue(value) {
    // 构造函数实现
}

void MyClass::display() const {
    std::cout << "Value: " << myValue << std::endl;
    // display 方法实现
}

在这个例子中，MyClass 的成员函数 display 和构造函数都在 .cpp 文件中定义。这种分离声明与定义的做法有助于减少编译依赖，提高编译效率。

为什么要分开声明和定义

1. 编译依赖性减少：当实现改变时，只有实现文件需要重新编译，而使用这个类的其他源文件则不必重新编译，除非类的接口发生变化。
2. 封装：通过在头文件中仅展示接口，可以隐藏实现细节，用户只能通过接口与类的对象交互。
3. 可维护性：接口与实现的分离使得代码更易于管理和维护。

注意事项

• 头文件保护：为了防止头文件被多次包含，通常使用预处理指令 #ifndef, #define, #endif 来避免这个问题。
• 内联函数：如果函数非常小，可能会在头文件中直接定义为内联函数，以减少函数调用的开销。
• 模板类：模板类的声明和定义通常都位于头文件中，因为编译器需要在模板实例化时看到整个定义。

通过正确地管理类的声明和定义，可以构建出结构清晰、易于维护的 C++ 程序。

c++静态成员函数和成员变量

在 C++ 中，静态成员函数和静态成员变量是类的组成部分，但它们与普通成员有些不同。静态成员属于整个类而非类的某个特定对象，这意味着它们不依赖于类的实例就可以存在和被访问。

静态成员变量

静态成员变量是类的所有实例共享的数据。它只在程序的内存中有一份副本，不管你创建了多少个类的对象。

用法示例

class MyClass {
public:
    static int staticValue;  // 静态成员变量声明

    static void displayStaticValue() {
        std::cout << "Static Value: " << staticValue << std::endl;
    }
};

// 在类外初始化静态成员变量
int MyClass::staticValue = 0;

int main() {
    MyClass::staticValue = 5;  // 访问静态成员变量
    MyClass::displayStaticValue();  // 访问静态成员函数

    return 0;
}

注意事项

1. 初始化：静态成员变量需要在类的外部进行初始化，除非它是常量的整数类型，可以在类定义中初始化。
2. 内存分配：尽管静态成员变量在类内部声明，但它们在类外部定义和初始化，不属于任何对象的一部分。
3. 访问控制：静态成员变量可以是公有或私有。如果是私有的，可以通过静态成员函数访问。

静态成员函数

静态成员函数可以访问类的静态成员变量和其他静态成员函数，但不能访问类的普通成员变量或函数，因为它们不依赖于类的实例。

用法示例

如上例所示，displayStaticValue 是一个静态成员函数，它访问了静态成员变量 staticValue。

注意事项

1. 访问限制：静态成员函数不能访问非静态成员变量或调用非静态成员函数，因为它们没有 this 指针。
2. 使用场景：静态成员函数通常用于操作静态数据成员，或当函数的功能与类的任何特定对象无关时。
3. 全局访问：即使没有创建类的对象，也可以调用静态成员函数。

使用静态成员的好处

• 数据共享：所有对象共享同一静态数据，不需要为每个对象存储数据。
• 全局访问：静态成员可以在创建任何对象之前访问，类似于全局变量，但有更好的封装。
• 效率：使用静态成员函数通常比实例方法更高效，因为不需要创建对象即可调用。

小心使用

虽然静态成员提供了方便，但过多使用可能导致数据管理复杂，特别是在多线程环境下，共享数据可能会引发数据一致性问题。因此，在设计静态成员时要考虑线程安全和数据封装的需求。

在 C++ 中，静态成员函数由于不依赖于类的实例，因此常被用于访问或操作静态成员变量、执行与类相关但不依赖于类实例的操作等场景。下面是一个详细的例子，展示如何使用静态成员函数：

示例：计数类的实例

假设我们需要一个类来跟踪其自身创建的实例数量。这可以通过使用静态成员变量来完成，这个变量将在所有实例之间共享，并通过静态成员函数来访问和修改。

#include 

class Widget {
private:
    static int count;  // 静态成员变量，用于跟踪创建的 Widget 实例数量

public:
    // 构造函数
    Widget() {
        count++;  // 每次创建 Widget 的实例，计数增加
    }

    // 析构函数
    ~Widget() {
        count--;  // 当 Widget 的实例被销毁时，计数减少
    }

    // 静态成员函数，用于获取当前 Widget 实例的数量
    static int getCount() {
        return count;
    }
};

// 在类外初始化静态成员变量
int Widget::count = 0;

int main() {
    Widget w1, w2, w3;
    std::cout << "Current widget count: " << Widget::getCount() << std::endl;

    {
        Widget w4;
        std::cout << "Current widget count after creating w4: " << Widget::getCount() << std::endl;
    } // w4 超出作用域，析构函数被调用

    std::cout << "Current widget count after destroying w4: " << Widget::getCount() << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中：

• 静态成员变量 count 用于存储 Widget 类实例的数量。它是在所有 Widget 实例之间共享的。
• 构造函数 和 析构函数 分别增加和减少 count 的值，反映了 Widget 实例的创建和销毁。
• 静态成员函数 getCount() 提供了一个方式来查询当前存在的 Widget 实例数量，而不需要创建 Widget 类的对象。

注意事项

• 使用静态成员函数时，不能访问类的非静态成员变量或调用非静态成员函数，因为静态成员函数不与任何对象实例关联。
• 静态成员函数可以通过类名直接调用（如 Widget::getCount()），也可以通过类的对象调用，但后者在语义上可能会引起混淆。
• 静态成员函数在多线程环境中共享数据时，需要特别注意线程安全问题。