03 类和对象 1

1. 面向过程和面向对象初步认识

c语言是面向过程的，关注的是过程，分析求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题

如洗衣服的过程，面向过程会按照步骤一步步来
在这里插入图片描述
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
洗衣服总共有4个对象，人、衣服、洗衣粉、洗衣机
过程：人将衣服放入，倒入洗衣粉，启动洗衣机，完成甩干
整个过程主要是这4个对象之间交互完成，不需要关注具体如何洗衣服

2. 类的引入

c语言结构体中只能定义变量，c++中不仅可以定义变量，也可以定义函数，之前的栈以c++的方式定义

typedef int DataType;
struct Stack
{
 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;
 }
 }
 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;
}

在c++中，结构体struct关键字用class代替

3. 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，{}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和成员变量，类中的函数称为类的方法或者成员函数

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做内联函数处理
在这里插入图片描述

2.类声明放在头文件，成员函数定义在.cpp中，注意：成员函数名前需要加类名
在这里插入图片描述

一般情况下采用第二种方法

成员变量命名规则：
类的成员变量前面会加_或m来和成员函数的形参做区分

// 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，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行。

4. 类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

c++实现封装的方式：用类将对象的属性和方法结合在一块，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【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（此外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为止
4.如果后面没有访问限定符，作用域就到}类结束
5.class的默认访问权限为private，struct为public（因为struct要兼容c）

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定义类一样，区别是struct定义的类默认访问权限是public，class默认访问权限是private。注意：继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别，后续介绍

4.2 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有机结合，隐藏对象属性和实现细节，只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。例如电脑提供的开关机键、显示器、键盘输入等就是封装的功能，但实际上真正工作的是CPU、显存内存等元件

在这里插入图片描述

对于计算机使用者而言，不用关心内部核心部件，比如主板上线路是如何布局的，CPU内部设计等，只需要通过鼠标和键盘交互。所以计算机出厂时，在外部套上壳子，将内部细节隐藏起来，提供各种接口操作交互

c++语言实现封装，通过将数据和操作方法结合，访问权限来隐藏内部实现细节，控制可以在类外直接调用的方法

5. 类的作用域

类定义了一个新的作用域，所有成员都在类作用域中，类外定义成员时，使用：：作用域操作符说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;
}

6. 类的实例化

用类创建对象的过程，称为类的实例化

1.类是对对象描述的，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书籍分配内存空间，比如：填写的个人信息表格，就可以看做一个类

2.一个类可以实例化多个对象，实例化出的对象占用实际的物理空间，存储成员变量

int main()
{
 Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
 return 0;
}

直接访问类的成员时错误的，没有空间，必须实例化对象才有具体的年龄

3.做个比方，类实例化对象就像建筑设计图，类就是设计图，只设计出需要什么东西，但没有实际的建筑，只是一个设计，实例化的对象才存储数据，占用物理空间

在这里插入图片描述

7. 类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

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

问题：类中既有成员变量，又有成员函数，那么一个类的对象包含了什么？如何计算大小

7.2 类对象的存储方式

//有函数有变量
class A
{
public:
	void fun();
private:
	int _a;
};
//只有函数
class A1
{
public:
	void fun();
};
//空类
class A2
{

};
	cout <<sizeof(A)<<"\r\n";
	cout << sizeof(A1) << "\r\n";
	cout << sizeof(A2) << "\r\n";

输出上面三个类的大小：
在这里插入图片描述
空类大小也是1，给1个字节来标识

结论：一个类的大小，实际是这个类中成员变量的和，内存对齐原则。由于成员函数可能被重复调用，所以放在公共代码区

7.3 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.其他成员变量对齐到某个数字（对齐数）的整数倍地址处
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,结构体的整体大小就是所有对齐数(含嵌套结构体的对齐数)的整数倍

8. this指针

8.1 this指针的引出

定义一个日期类

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,有个疑问
Date类有Init和Print两个成员函数，没有关于不同对象的区分，d1调用Init函数时，如何直到设置d1对象，不是设置d2对象？

c++中通过引入this指针解决，给每个非静态的成员函数增加了一个隐藏的指针参数，指向该对象，函数体所有成员变量的操作，都是指针去访问，只不过由编译器自动完成

8.2 this指针的特性

1.this指针的类型：类类型*const，不能给this赋值
2.只能在“成员函数”内部使用
3.this指针本质是“成员函数”的形参，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指针时“成员函数”第一个隐含的形参，一般情况由编译器传递，vs中通过ecx寄存器传递

在这里插入图片描述

// 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();
 return 0;
}
// 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;
   }
private:
 int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}

第一个正常运行，第二个会崩溃，第一个对printa的调用并没有访问到成员变量，所以空指针也不会报错。第二个访问了变量_a，上面说了变量的访问都是用this指针完成，所以崩溃

8.3 c++语言实现stack对比

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)
{
 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，c语言实现时，stack相关函数有以下共性：

每个函数第一个参数都是stack*
函数必须要对第一个参数检测，因为该参数可能为空
函数中都是通过stack*操作栈的
调用时必须传递stack结构体变量地址

结构体只能定义存放数据结构,操作数据的方法不能放在结构体中,数据和操作方法是分开的,涉及大量指针操作时稍不注意就会出错

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;
}