【C++】类和对象(1)--初识

一类的引入

二类的定义

1 类的两种定义方式:

(1) 声明和定义全部放在类体中

(2) 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中

2 成员变量命名规则的建议

三类的访问限定符及封装

1 访问限定符

2 封装

四类的作用域

五类的实例化

六类对象模型

1 类对象的储存方式

2 结构体内存对齐规则

七 this指针

1 this指针的引出

2 this指针的特性

八 C语言和C++实现Stack对比

1 C语言

2 C++实现

一类的引入

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。

// C++兼容c语言struct的所有用法
// struct同时升级成了类
// 1、类名就是类型，Stack就是类型，不需要加struct
// 2、类里面定义函数
struct Stack
{
       int* a;
       int top;
       int capacity;

       void Init()
       {
              a = 0;
              top = 0;
              capacity = 0;
       }

       void Push(int x)
       {
              //...
       }
};

struct Queue
{
       // ...

       void Init()
       {

       }
};


int main()
{
       Stack s1;//不需要struct Stack s1
       s1.Init();
       s1.Push(1);
       s1.Push(2);
       s1.Push(3);
       s1.Push(4);

       /*struct Stack s1;
       StackInit(&s1);
       StackPush(&s1, 1);
       StackPush(&s1, 2);
       StackPush(&s1, 3);*/

       return 0;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

二类的定义

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 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(这个后面会谈)

class Date
{
public:
       //定义
       void Init(int year, int month, int day)
       {
              _year = year;
              _month = month;
              _day = day;
       }

private:
       // 声明
       int _year;
       int _month;
       int _day;
};

(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::

一般情况下，更期望采用第二种方式

2 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
{
public:
       void Init(int year)
       {
              // 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？
              year = year;
       }
private:
       int year;
};


// 所以一般都建议这样
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，主要看环境要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行

三类的访问限定符及封装

1 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。

⚠️注意：

1.一般情况下，类中的成员变量都会被private修饰，因为不想让类外进行访；

2. 类里面不受访问限定符的限制(成员函数中可以访问私有成员变量)。

【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。

5. 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

问题：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

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。

四类的作用域

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;
}

五类的实例化

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

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

class Date
{
public:
  void Init(int year,int month,int day)
  {
   
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
    
  }
//private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  Date._year; //  编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
  return 0;
}

为什么利用Date._year不能访问成员变量_year，对于_year、_month、_day这三个成员变量只是声明，要想访问一个成员变量，必须创建(实例化)一个对象，开辟一个Date类的空间，只有Date类实例化的对象才有具体的_year.

int main()
{
  //类的实例化,开辟空间
  Date d1;
  d1._year = 1; // 编译成功
  return 0;
}

六类对象模型

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？

1 类对象的储存方式

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

// 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
class A3
{};

int main()
{
    cout << sizeof(A1) << endl;
    cout << sizeof(A2) << endl;
    cout << sizeof(A3) << endl;
    return 0;
}

结果: 4 1 1

说明：A1的大小占据4个字节，这个大家应该没有什么疑惑，但是A2和A3为什么占据1个字节？我们都知道，对于成员函数，它是存放于公共代码区的，相当于全局函数，而A3里面什么都没有，是因为需要分配1个字节大小的空间，进行占位。

所以，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。

没有成员变量的类, 对象大小开一个字节, 这个字节不存储有效数据

2 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。

4. 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。

【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

详见:

【C语言】自定义类型—结构体-CSDN博客

【C语言】数据在内存中的储存-CSDN博客

七 this指针

1 this指针的引出

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

       void Print()
       {
              cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
              /* cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;可以在类里面显示的使用*/

       }

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


int main()
{
       Date d1;
       Date d2;

       d1.Init(2023, 10, 7);
       d2.Init(2022, 10, 7);

       // 不能显示写this相关实参和形参
       d1.Print();
       d2.Print();

       //d1.Print(&d1); 这是错误的
       //d2.Print(&d2);

       return 0;
}

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。

2 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(不能修改)。

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

1. this指针存在哪里？

this指针在非静态的成员函数里面，对象不存在/ 栈帧 vs下面存到ecx寄存器

2. this指针可以为空吗？

单纯的对this赋空是不可以的，不过可以强转直接赋空，不过一般不进行这样的操作

// 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 Print()
       {
              cout << "Print()" << endl;
       }
private:
       int _a;
};
int main()
{
       A* p = nullptr;
       p->Print();
       //p->_a 这是运行崩溃
       return 0;
}

//C 正常运行 成员函数的地址不存在对象中 成员变量的地址存在对象中

通过p指针去调用Print()函数，那么就会去寻找Print()的地址，那么会在p指向的对象中去找吗？其实不会，我们知道成员函数地址存放到公共代码区域，所以这里的代码正常运行。

// 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 PrintA()
    {
        cout << _a << endl;// this->_a  这个this 就是nullptr
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}
// B 运行崩溃(可能版本不同的vs 有差别)

这里会把p传递给this指针，此时PrintA()函数会有一个this->_a，这里就会出现nullptr解引用行为。这里的this就是nullptr 就是此时就会出现运行崩溃。

八 C语言和C++实现Stack对比

1 C语言

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)
{
	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)
	{
		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);
	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，是自由的，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:
	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，数据和方法合在一起，就可以很好的严格管控，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

类的内容还有很多, 本次是初识一下, 下一节开始起飞

继续加油!