C++第五弹---类与对象(二)

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类与对象

1、类对象模型

1.1、如何计算类对象的大小

1.2、类对象的存储方式猜测

1.3、结构体内存对齐规则

2、this指针

2.1、this指针的引出

2.2、this指针的特性

2.3、C语言和C++实现Stack的对比

总结

1、类对象模型

1.1、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？

1.2、类对象的存储方式猜测

1、对象中包含类的各个成员

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？
2、代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
3、只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

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？
我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:
void f1(){}
private:
int _a;//只计算成员变量的大小，为4字节
};
// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
void f2() {}
//只计算成员变量的大小，但是没有变量则算空类，空类规定为1字节
//为什么空类为1字节呢？因为实例化对象的标志是开辟的内存空间，竟然开辟了空间那么就不会是0，
//因此规定设为1字节
};
// 类中什么都没有---空类
class A3//空类为1字节
{};

sizeof(A1) : __4____ sizeof(A2) : ___1___ sizeof(A3) : ___1___
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，编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的对象。

1.3、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？

平台移植型好
不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的数据；某些硬件平台只能只在某些地址访问某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常，及遇到未对齐的边界直接就不进行读取数据了。

cpu处理效率高

从上图可以看出，对应两种存储方式，若CPU的读取粒度为4字节，

那么对于一个int 类型，若是按照内存对齐来存储，处理器只需要访存一次就可以读取完4个字节
若没有按照内存对其来读取，如上图所示，就需要访问内存两次才能读取出一个完整的int 类型变量具体过程为，第一次拿出 4个字节，丢弃掉第一个字节，第二次拿出4个字节，丢弃最后的三个字节，然后拼凑出一个完整的 int 类型的数据。

结论：结构体内存对齐是拿空间换取时间的做法。提高效率。

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？

结构体的对齐是有规定的，不可任意对齐，但有一条指令可以修改默认对齐数（#pragma pack(对齐数))结构体进行规定对齐是跟底层的硬件有关系的，每种硬件对于数据的读取是不同的，为了提高硬件读取数据的效率，所以在代码层进行了结构体内存对齐。

比如：假设一台机器有32根地址线，即该机器每次能够读取32位的数据，也就是4byte的数据。例如将以下代码在该机器下进行读取：

若内存对齐的方式进行读取

char _a变量总共读取一次（先读取四个字节，只取到第一个字节的数据即可），int _b总共读取一次。当读取完char _a 之后接着读取int _b 的时候恰好读取四个字节的内容，而这四个字节的内容恰好是int _b 的内容，刚好读取完成！

若不用内存对齐的方式进行存储：

char _a 读取一次，而 int _b 却要读取两次，读取一两个效率没啥影响，但是每种程序中读取的数据可能成千上万，效率就会有所降低！

总结：

不能进行任意对齐，也不可不进行对齐，因为可能会降低效率！

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。

大小端是数据的两种存储方式，因为市面上电脑硬件的制造不同，不同的硬件对于数据的处理方式不同，常用的市面上的硬件机器存储方式大致有两种：大端存储和小端存储！

概念：

大端存储：数据的低位字节放到内存的高地址处，高位字节放到内存的低地址处，是大端存储

小端存储：数据的低位字节放到内存的低地址处，高位字节放到内存的高地址处，是小端存储

测试一台机器是大端还是小端：

方式一：

利用联合体的特性，可以得出机器是大端还是小端。因为联合体共用同一块空间，所以我们给两个成员一个char 和一个int 给int成员数字1，随后通过char成员去读取数据，访问成员的时候是从低地址到高地址开始访问的！若取到的char结果是1，是小端存储。若是0则是大端存储！

方式二：

创建一个int类型大小变量，将它的地址强转成char*类型，然后解引用得到的结果为1则为小端存储。否则为大端存储。

代码：

#include <iostream>
using namespace std;
 
union S
{
    char a;
    int b;
};
 
int main()
{
    S s1;
    //给整型变量赋值1
    s1.b = 1;
 
    //通过char进行访问
    cout << (int)s1.a << endl;
 
    return 0;
}

结论：

通过联合体共用同一块空间的特性或者整型存储来判断大小端！

2、this指针

2.1、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:
//此处为声明
int _year; // 年
int _month; // 月
int _day; // 日
};
int main()
{
//Date::_year++;//此处为声明，因此不能修改值
Date d1, d2;//实例化对象
d1._year++;//此处已经定义过了，因此可以进行修改
d1.Init(2022,1,11);//初始化函数 可以使用缺省参数
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。

2.2、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。
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。

代码：

#include <iostream>
using namespace std;
 
//定义一个日期类
class Date
{
public:
    //初始化
    void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    {
        //编译器会自动将对象的地址传进来 用this指针形参接收
        //可在函数内部显式的写this指针进行访问
        this->_year = year;
        this->_month = month;
        this->_day = day;
    }
 
    //打印函数
    void Print()
    {
        //切记this指针是不能被修改的因为是用const修饰的参数
        // this = nullptr;  会报错error:不可修改的左值
 
        //编译器会自动将对象的地址传进来 用this指针形参接收
        //可在函数内部显式的写this指针进行访问
        cout << this->_year << " - ";
        cout << this->_month << " - ";
        cout << this->_day << endl;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
 
int main()
{
    //类的实例化对象 
    Date d1;
 
    //调用Init方法，
    //调用的时候编译器会自动的将对象的地址传进去
    // 且用this指针接收地址
    d1.Init(2023, 4, 30);
 
    //打印
    //调用的时候编译器会自动的将对象的地址传进去
    // 且用this指针接收地址
    d1.Print();
 
    //但我们不能显式的去传递对象的地址
    //会报错 error:函数调用中的参数太多
    //因为编译器已经默认传了对象的地址了
    //我们在传递就会出现错误
    //d1.Print(&d1);
 
    return 0;
}

图片：

总结：

对象在调用成员函数的时候，编译器会自动将对象的地址传给this指针，用户不可在进行显式传对象地址。在成员函数内部可以显式的通过this指针去访问成员变量，this指针默认是用const修饰的不可在成员函数内部修改this指针的值。this指针本质是一个形参，是存储在栈区上的！

【面试题】
1. this指针存在哪里？

this指针本质是成员函数的形参，只是被编译器隐式的传递操作了。因为是函数的形参，是存在栈区上的，不存在对象中！
2. this指针可以为空吗？

this指针本质是用const修饰的，所以我们不能在成员函数内部将this指针置为空。而对象实例化之后必然是有地址的，空对象也是占用1个字节的空间。但是外部给this指针传一个空指针进来 this指针是可能为空的，但为空之后this指针是没有啥意义的，空指针是不能进行访问成员的，很危险！

即：this指针可能为nullptr

// 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;
}

上面定义了一个A类的指针p并给其赋予空值，通过指针去调用成员函数Print，此时在传的时候给this指针形参传过去的是p指针的值也就是nullptr，而在成员函数内部并没有通过this指针去访问成员（进行解引用操作），this指针啥都没做，也没有用到this指针。即程序是可以正常运行的！

#include<iostream>
using namespace std;
// 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;
}

上面定义了一个A类的指针p并给其赋予空值，通过指针去调用成员函数Print，此时在传的时候给this指针形参传过去的是p指针的值也就是nullptr，而在成员函数内部通过this指针去访问成员_a（进行解引用操作），而此时的this指针是一个nullptr，对空指针解引用是不可行的。上述语法是没有问题的，编译时候是不会报错的，但访问是有问题的。即程序会出现运行崩溃！

2.3、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)
{
   //初始化栈
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
  //销毁栈
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
  //检查容量
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
   //入栈
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
   //判断栈是否为空
}
void StackPop(Stack* ps)
{
  //出栈
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
  //获取栈顶数据
}
int StackSize(Stack* ps)
{
  //计算栈有效数据个数
}

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，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://公共权限
void Init()
{
   //初始化栈
}
void Push(DataType data)
{
   //入栈
}
void Pop()
{
  //出栈
}
void Destroy()
{
  //销毁栈
}
}
private://私有权限
void CheckCapacity()
{
  //检查容量
}
private://私有权限
//成员变量
DataType* _array;
int _capacity;
int _size;
};

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，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。