【C++】类与对象 I

类与对象 I :

  • 前言:(C)面向过程 和(C++)面向对象 初步认识
  • 前言:类的引入
  • 一、类的介绍
  • 二、类的定义
    • (一)class 语法
    • (二)类的两种定义方式:
    • (三)成员变量命名规则的建议:
  • 三、类的访问限定符及封装
    • (一)访问限定符
    • (二)访问限定符说明
    • (三)C++中 **struct和class的区别** 是什么?【面试题】
  • 四、封装
    • (一)谈封装( 对于 封装 的理解 )
  • 五、类的作用域
  • 六、类的实例化
    • (一)对类更深入的理解:
      • (二)例子理解 类:
  • 七、类对象模型
    • (一)如何计算类对象的大小
    • (二)类对象的存储方式猜测
    • (三)结构体内存对齐规则
  • 八、this指针
    • (一)this指针的引出
    • (二)this指针的特性
  • C语言 和 C++ 实现Stack的对比



前言:(C)面向过程 和(C++)面向对象 初步认识

  • C语言 面向过程关注的是 过程

    分析出求解问题的步骤,通过函数调用逐步解决问题。

用洗衣服来做个例子:
在这里插入图片描述

  • C++ 基于面向对象关注的是 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。

整个过程主要是:人、衣服、洗衣粉、洗衣机四个对象之间交互完成的,人不需要关心洗衣机具体是如何洗衣服的,是如何甩干的。 对象具体怎么完成的,那是它的事情。
在这里插入图片描述



前言:类的引入

  • C语言结构体:只能定义变量

    由于结构体中只能定义变量,导致函数只能在结构体外定义

    1. 导致数据和方法分离,所以必须带参数 才能访问在结构体中定义的变量 。
      在这里插入图片描述
    2. 函数写在全局,必须加前缀(C中不支持同名【函数重载】)


一、类的介绍

为了更方便使用,有了 的产生:
C++兼容C语言struct的所有用法。 在C++中,结构体内不仅可以定义变量也可以定义函数

结构体struct同时升级成了类:

类[ 类型 ] = 结构体(变量定义)+ 函数定义

  1. 类名就是类型,Stack就是类型,不需要 struct( 直接当类型来用

  2. 类里面定义函数

  3. 类也是个域

C++中Stack

typedef int DataType;
struct Stack
{
//定义函数
 void Init(size_t capacity)
 {
 _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
 if (nullptr == _array)
 {
 perror("malloc申请空间失败");
 return;
 }
 _capacity = capacity;
 _size = 0;
 }
 
 
 void Push(const DataType& data)
 {
 // 扩容
 _array[_size] = data;
 ++_size;
 }
 DataType Top()
 {
 return _array[_size - 1];
 }


 void Destroy()
 {
 if (_array)
 {
 free(_array);
 _array = nullptr;
 _capacity = 0;
 _size = 0;
 }
 }

//定义变量
 DataType* _array;
 size_t _capacity;
 size_t _size;
};

int main()
{
 Stack s;
 s.Init(10);
 s.Push(1);
 s.Push(2);
 s.Push(3);
 cout << s.Top() << endl;
 s.Destroy();
 return 0;
}

用类后,C++与C 进行对比
在这里插入图片描述

上面结构体的定义,在C++中更喜欢用class来代替



二、类的定义

(一)class 语法

// class :定义类的关键字,ClassName :类的名字
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 定义类的关键字

  • ClassName 类的名字

  • {}中为类的主体

    类体中内容称为类的成员

    1. 类中的变量 称为 类的属性成员变量
    2. 类中的函数 称为 类的方法 或者 成员函数
  • 注意类定义结束时 后面分号不能省略


(二)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
    在这里插入图片描述


  1. 类声明 放在 .h文件 中,成员函数定义 放在 .cpp文件 中,
    成员函数名前需要加类名::
    在这里插入图片描述
  • ★ 正确的用法:

    1. 长的函数 声明和定义分离

    2. 短小的函数 可以直接在类里面定义
      默认直接在类里定义的 就是 inline。( 到底展不展开,取决于编译器是否认为其长不长 )
      在这里插入图片描述



(三)成员变量命名规则的建议:

这里会出现什么问题

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

结果

  • 都会现在所在的域中先找
    在这里插入图片描述

改进:一般,成员变量 加个区分

  • [ _ 表示 内部的 ]

    1. _year 【 最常用 】

    2. year_

  • [ m member 成员 ]

    1. m_year

    2. mYear 驼峰命名法

其他方式也可以的,主要看公司要求。一般都是 加个前缀 或者 后缀标识区分就行 。

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,主要看公司要求。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

(一)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
在这里插入图片描述



(二)访问限定符说明

  • public (公有)

    public修饰的成员 在类外可以直接被访问


  • protected(保护)

  • private(私有)

    protected(保护)private(私有) 修饰的成员 在类外不能直接被访问 ( 此处 protected 和 private 是类似的,真正要区别二者要到继承 )

  1. 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

  2. 如果后面没有访问限定符,作用域就到 } 即类结束

  3. class默认访问权限privatestructpublic 【 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



(三)C++中 struct和class的区别 是什么?【面试题】

  1. C++需要兼容C语言,所以C++中struct可以当成结构体使用。

  2. 另外C++中struct还可以用来定义类。和class定义类是一样的 [ 区别:struct 定义的类 默认访问权限public (C++兼容C)class 定义的类 默认访问权限private。】
    在这里插入图片描述

    【注意:在继承模板参数列表位置,struct和class也有区别,后序给大家介绍。】



四、封装

面向对象三大特性封装、继承、多态。【面试题】

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


(一)谈封装( 对于 封装 的理解 )

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。

在这里插入图片描述

对于计算机使用者而言,不需要关心内部核心部件,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,控制哪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。【 { } 中定义的都是 域

  1. 类的所有成员 都在 类的作用域中
  2. 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();     //声明和定义分离
private:
 char _name[20];
 char _gender[3];
 int  _age;
};

//定义: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

(一)对类更深入的理解:

用类类型创建对象的过程,称为类的实例化 。
在这里插入图片描述

  1. 类 是对 对象 进行的 描述,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 ,但 并没有分配实际的内存空间来存储它;

  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
    在这里插入图片描述



(二)例子理解 类:

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。
在这里插入图片描述



七、类对象模型

(一)如何计算类对象的大小

class A
{
public:
void PrintA()
{
   cout<<_a<<endl;
}
private:
char _a;
};

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?



(二)类对象的存储方式猜测

  • 对象中包含类的各个成员
    在这里插入图片描述
    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?

  • 代码只保存一份,在对象中保存存放代码的地址
    在这里插入图片描述

  • 只保存成员变量,成员函数存放公共的代码段
    在这里插入图片描述

问题:对于上述三种存储方式,那计算机到底是按照那种方式来存储的?

// 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     //没有成员 => 不需要存储数据
class A3
{};

sizeof(A1) : ______ sizeof(A2) : ______ sizeof(A3) : ______

结论: 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

注意空类的大小,空类比较特殊,编译器给了 空类( 这个字节不存储有效数据 ) 一个字节 来 唯一标识这个类的对象。



(三)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该成员大小较小值
    【VS中默认的对齐数为8】

  3. 结构体总大小最大对齐数( 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



八、this指针

(一)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 。



(二)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。

  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 【 和局部变量一样,存在栈帧上 】。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
    在这里插入图片描述


  1. CPU 访问内存 —> 嫌 访问内存太慢了

  2. 经常访问的 或 小变量 => 存寄存器( 非常快 )



【 只是逻辑上是这样,显式写出传递的类对象的地址,显式写出接收的 * this 指针 。实际中并不会显式写出,也不能像这样显式写出。 】
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述


  • 不能显示的写 this相关 的 实参 和 形参
  • 但是可以在类里面显示的使用。(有些时候,是需要用this指针的)
    在这里插入图片描述

【面试题】

  1. this指针存在哪里?
  2. this指针可以为空吗?


C语言 和 C++ 实现Stack的对比

  1. C语言实现
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)   // C 每次调用函数都要传地址过来
{
 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)                  //还要用指针去访问
 {
 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);           //每次都要 传指针
 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;
}

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
  • 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。


  1. 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:                  //成员变量
 DataType* _array;
 int _capacity;
 int _size;
};


int main()
{
 Stack s;
 s.Init();                //C++不用传指针,直接在类里 可以直接用
 s.Push(1);               //把工作都交给编译器
 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;
}
  • 访问限定符【 成员变量 一般是 私有的 】 => 使函数调用更规范
    在这里插入图片描述

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【 不需要传指针了 】,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( 传参都由编译器来传 ),C语言中需用用户自己维护

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