C++《类和对象》(上)

在之前的C++入门基础知识中我们了解了C++的发展过程已经重要性，还初步了解了C++中一些相比C语言特有的知识点，例如命名空间、缺少参数、函数重载、引用等，接下来在本篇中我们将开始C++整个体系中非常重要的一个知识章节——类和对象，类和对象时之后我们更加深入学习C++所必须要学习的，可见其重要性，这其中有一些内容是难以理解的，需要我们花较为多的时间和精力，一起加油吧！！！

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1.类的定义

1.1 类定义格式

在 C++ 中，类是一种用户自定义的数据类型，它封装了一组相关的数据成员（也称为属性）和成员函数（也称为方法）。

在类的定义中要用到关键字class，要定义一个类需要在关键字class后定义一个类名，之后{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号不能省略。

例如以下就是一个类

#include<iostream>;
using namespace std;class Stack
{// 成员函数void Init(int n = 4){_array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;}void Destroy(){free(array);_array = nullptr;_top = _capacity = 0;}// 成员变量int* _array;int _capacity;int _top;
}; // 分号不能省略

在以上的类Stack中就可以看出在类中是有成员函数的，这和之前我们在C语言中结构体中不同，在结构体中的只能含有成员变量，而在类中既可以有成员变量也可以有成员函数
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。

在以上的类还有看出在成员变量前面都加_，这是为了区分成员变量，一般习惯上成员变量会加一个特殊标识，如成员变量前面或者后面加_ 或者 m开头，注意C++中这个并不是强制的，只是⼀些惯例。

注:定义在类里面的成员函数默认为inline。

其实在C++中除了可以用class来定义类，struct也可以定义类，C++兼容C中struct的用法，同时struct升级成了类，明显的变化是struct中可以定义函数，⼀般情况下我们还是推荐用class定义类。

C++中的struct相比C语言中的会有以下额外的特点：
1、类里面可以定义函数
2、struct名称就可以代表类型

#include<iostream>;
using namespace std;typedef struct ListNodeC
{struct ListNodeC* next;int val;
}LTNode;
// 不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
struct ListNodeCPP
{void Init(int x){next = nullptr;val = x;}ListNodeCPP* next;int val;
};

 1.1.2访问限定符

如果要在一个类当中让一些成员在类外可以直接被访问，一些成员不可以在类外访问要怎么做呢？

这时就要用到访问限定符，这是C++⼀种实现封装的方式，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。

访问限定符有以下三种：

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，protected和private是⼀样的，以后继承章节才能体现出他们的区别。 

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。
注：class定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private，struct默认为public。

以上的类就可以加上访问限定符

#include<iostream>;
using namespace std;class Stack
{
pubilc:// 成员函数void Init(int n = 4){_array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;}
private:	void Destroy(){free(array);_array = nullptr;_top = _capacity = 0;}// 成员变量int* _array;int _capacity;int _top;
}; // 分号不能省略

注：通常我们会将类内的⼀般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别人使用的成员函数会放为public。

 1.1.3类域

在之前我们学习了命名空间域时已经知道C++中域有函数局部域，全局域，命名空间域，类域，接下来我们就来深入学习类域

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

例如以下类：

class Stack
{
public:// 成员函数void Init(int n = 4);
private:// 成员变量int* _array;size_t _capacity;size_t _top;
};
// 声明和定义分离，需要指定类域
void Stack::Init(int n)
{_array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;
}

以上程序中Init如果不指定类域Stack，那么编译器就把Init当成全局函数，那么编译时，找不到array等成员的声明/定义在哪⾥，就会报错。指定类域Stack，就是知道Init是成员函数，当前域找不到的array等成员，就会到类域中去查找。

 2.类实例化

2.1 实例化概念

用类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象

之前我们进行类的定义，但类是对象进行⼀种抽象描述，是⼀个模型⼀样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，用类实例化出对象时，才会分配空间。

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。打个比方：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，设计图规划了有多少个房间，房间大小功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住人，用设计图修建出房子，房子才能住人。同样类就像设计图⼀样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据。

 例如以下就是在创建类Date后实例化出对象d1

#include<iostream>;using namespace std;class Date
{
public:void Init(int year, int mouth, int day){_year = year;_mouth = mouth;_day = day;}void Print(){cout << _year << "/" << _mouth << "/" << _day << endl;}private:
// 这⾥只是声明，没有开空间int _year;int _mouth;int _day;
};int main()
{
//实例化出对象d1Date d1;d1.Init(2024, 8, 11);d1.Print();return 0;
}

2.2对象大小

在学习了类相关的概念和实例化的概念后那么类的大小应该如何计算呢？接下来我们就来分析看看

首先要分析的是在计算类的大小时是只计算类中成员变量的大小，还是成员变量和成员函数的大小都计算呢？

我们来通过之前创建的日期类Date来分析

class Date
{
public:void Init(int year, int mouth, int day){_year = year;_mouth = mouth;_day = day;}void Print(){cout << _year << "/" << _mouth << "/" << _day << endl;}private:
// 这⾥只是声明，没有开空间int _year;int _mouth;int _day;
};

在以上的类中当我们实例化出一个个新的对象时，因为每个实例化出的对象都有各自的成员变量_year,_mouth,_day，因此类实例化出的每个对象，都有独立的数据空间 ，如果要将成员函数也存储在内存空间内，存储的也就是函数指针，那么由于在每个实例化的对象内的成员函数都是相同的，这就会出现内存的浪费。例如以上的类当实例化出100个对象时，如果成员函数是存储在对象当中，成员函数指针就重复存储100次

通过以上示例的分析可以得出在类的实例化中成员函数不是存储在对象的空间内的，而是独立存储的 ，因此在计算类的大小是不需要加上成员函数指针

上面我们分析了对象中只存储成员变量，C++规定类实例化的对象也要符合内存对齐的规则

在之前C语言的结构体类型章节我们学习了内存对齐的规则，因此在此就不再进行讲解

内存对齐规则
• 第⼀个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
• 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
• 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。
• 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。

接下来来看以下代码 ，计算一下A/B/C实例化的对象是多大？

#include<iostream>
using namespace std;
// 计算⼀下A/B/C实例化的对象是多⼤？
class A
{
public:void Print(){cout << _ch << endl;}
private:char _ch;int _i;
};class B
{
public:void Print(){//...}
};class C
{};int main()
{A a;B b;C c;cout << sizeof(a) << endl;cout << sizeof(b) << endl;cout << sizeof(c) << endl;return 0;
}

 首先是类A的实例化a的存储会按以下形式

因此a大小为8字节 

 接下来是类B的实例化a和类C的示例化c中由于没有成员变量是否大小就为0字节呢？

其实没有成员变量的B和C类对象的大小是1，为什么没有成员变量还要给1个字节呢？因为如果一个字节都不给，怎么表示对象存在过呢！所以这里给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。
 

3.this指针

在以下代码中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和Print函数时，该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢？这里面其实C++给了一个隐含的this指针解决这里的问题 

#include<iostream>;using namespace std;class Date
{
public:void Init(int year, int mouth, int day){_year = year;_mouth = mouth;_day = day;}void Print(){cout << _year << "/" << _mouth << "/" << _day << endl;}private:int _year;int _mouth;int _day;
};int main()
{Date d1;d1.Init(2024, 8, 11);d1.Print();Date d2;d2.Init(2024,8,12);d2.Print;return 0;
}

编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加一个当前类类型的指针，叫做this
指针。比如Date类的Init的真实原型为， void Init(Date* const this, int year,int month, int day) 

类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的 ，如Init函数中给_year赋值， this-
>_year = year;

注意：C++规定不能在实参和形参的位置显示的写this指针(编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显示使用this指针。

因此实际上在以上的类Date内部的成员函数和main函数中是以下形式的

#include<iostream>;using namespace std;
class Date
{
public:
// void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
//{
//	  this->_year = year;
//	  this->_mouth = mouth;
//	  this->_day = day;
//}void Init(int year, int mouth, int day){_year = year;_mouth = mouth;_day = day;}//void Print(Date* const this)
//{
//	cout << this->_year << "/" << this->_mouth << "/" << this->_day << endl;
//}void Print(){cout << _year << "/" << _mouth << "/" << _day << endl;}private:int _year;int _mouth;int _day;
};int main()
{Date d1;
//d1.Init(&d1,2024, 8, 11);d1.Init(2024, 8, 11);
//d1.Print(&d1);d1.Print();Date d2;
//d2.Init(&d2,2024,8,12);d2.Init(2024,8,12);
// d2.Print(&d2);d2.Print();return 0;
}

 

练习题

在了解完以上this指针相关的概念后，下面通过两个选择题测试⼀下

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

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:void Print(){cout << "A::Print()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;p->Print();return 0;
}

 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

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:void Print(){cout << "A::Print()" << endl;cout << _a << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;p->Print();return 0;
}

在上面两段代码中就只有在Print函数内有所不同，在第二段代码的Print函数内多输出了_a。在main函数内都是调用空指针p的Print函数，这时由于类中的成员函数的指针是在编译时确定的，不存储在对象里，因此这时不会引起对空指针的解引用，所以第一个程序能正常运行，第一题就选择C

而在第二个程序中在Print函数内的_a实际上是this->_a，这时因为_a是成员变量是存储在对象里的，这时这句代码就会造成对空指针的解引用，程序就会崩溃，因此第二个程序运行崩溃，第二题就选B

 

3. this指针存在内存哪个区域的 ()
A. 栈 B.堆 C.静态区 D.常量区 E.对象里面

因为this指针是隐含的形参，因此在类当中this指针是类中成员函数的局部变量，我们之前就了解过局部变量是存储在栈区的，因此这题就选择A

 

4. C++和C语⾔实现Stack对比

⾯向对象三大特性：封装、继承、多态，下⾯的对比我们可以初步了解⼀下封装。
通过下面两份代码对比，我们发现C++实现Stack形态上还是发生了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化。

• C++中数据和函数都放到了类里面，通过访问限定符进行了限制，不能再随意通过对象直接修改数据，这是C++封装的⼀种体现，这个是最重要的变化。这里的封装的本质是⼀种更严格规范的管理，避免出现乱访问修改的问题。当然封装不仅仅是这样的，我们后面还需要不断的去学习。
• C++中有⼀些相对方便的语法，比如Init给的缺省参数会方便很多，成员函数每次不需要传对象地址，因为this指针隐含的传递了，方便了很多，使用类型不再需要typedef用类名就很方便
• 在我们这个C++入门阶段实现的Stack看起来变了很多，但是实质上变化不大。等着我们后面看STL中的用适配器实现的Stack，大家再感受C++的魅力。

C语言实现Stack 

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;int capacity;
}ST;
void STInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = 0;ps->capacity = 0;
}
void STDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;
}
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);// 满了， 扩容if (ps->top == ps->capacity){int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity *sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}ps->a = tmp;ps->capacity = newcapacity;}ps->a[ps->top] = x;ps->top++;
}
bool STEmpty(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}
void STPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!STEmpty(ps));ps->top--;
}
STDataType STTop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!STEmpty(ps));return ps->a[ps->top - 1];
}
int STSize(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}
int main()
{ST s;STInit(&s);STPush(&s, 1);STPush(&s, 2);STPush(&s, 3);STPush(&s, 4);while (!STEmpty(&s)){printf("%d\n", STTop(&s));STPop(&s);}STDestroy(&s);return 0;
}

 

C++实现Stack

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:// 成员函数void Init(int n = 4){_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;}void Push(STDataType x){if (_top == _capacity){int newcapacity = _capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity *sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}_a = tmp;_capacity = newcapacity;}_a[_top++] = x;}void Pop(){assert(_top > 0);--_top;}bool Empty(){return _top == 0;}int Top(){assert(_top > 0);return _a[_top - 1];}void Destroy(){free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}
private:// 成员变量STDataType* _a;size_t _capacity;size_t _top;
};
int main()
{Stack s;s.Init();s.Push(1);s.Push(2);s.Push(3);s.Push(4);while (!s.Empty()){printf("%d\n", s.Top());s.Pop();}s.Destroy();return 0;
}

以上就是C++中《类和对象》（上）的全部内容了，接下来在《类和对象》（中）我们将继续学习类和对象相关的知识，未完待续……