初识【类和对象】

目录

1.面向过程和面向对象初步认识

2.类的引入

3.类的定义

4.类的访问限定符及封装

5.类的作用域

6.类的实例化

7.类的对象大小的计算

8.类成员函数的this指针

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，分析出求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。

手洗衣服的过程：

C++是基于面向对象的，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。实际上，在关注对象的时候，过程也就完成了，只是将注意力集中到对象身上，这里简单理解一下就好。什么是基于，是因为C++继承C语言，可以面向过程，也可以面向对象。

2.类的引入

C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：

struct Stack
{
	//成员函数，C语言结构体不能定义函数
	void Init()//可以不用传参数，因为在类里面，可以直接访问
	{
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

	void Push(int x)
	{
		if (top == capacity)
	    {
		int newcapacity = capacity == 0 ? 4 : capacity * 2;
		int* ptr = (int*)realloc(a, sizeof(int) * newcapacity);
		if (ptr == nullptr)
		{
			printf("%s", strerror(errno));
		}
		capacity = newcapacity;
		a = ptr;
	    }
	    a[top] = x;
	    top++;
	}

	//成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

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，{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号不能省略。下面的public，和 private是访问限定符，我们先不管它，后面会讲。

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。

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，会默认为内联函数，内联函数有内部链接属性，当这个类被多个头文件包含时，不会造成函数重定义的问题。
  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。

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：

上图局部优先，两个year都是函数参数year。  

所以一般都建议这样：

或者这样：

 其他方式也可以的，只要让成员变量和函数参数区别开就可以。

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)，在继承中有区别，我们后面文章会讲。
  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)
  6. 类内访问不受访问限定符的限制，限定的是类外

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，可以通过地址访问。

 【面试题】

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。

4.2 封装

【面试题】
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。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。
 

5.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;
}

6.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；
  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 
    int main()
{
    //Person只是一个类名，没有示例化对象
    Person._age = 100; // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
    return 0;
}
  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，实例化出的对像才能实际存储数据，占用物理空间

7.类的对象大小的计算

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？

7.2 类和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：

class A1
{
public:
	void f1(){}
private:
	int _a;
};
//类内仅有一个成员函数
class A2
{
public:
	void f2() {}
};
//空类
class A3
{};

int main()
{
	cout << sizeof(A1) << endl;//4
	//占位 ，c++会分配1个字节 ,表示这个类存在，不存储数据，只是占位，表示对象存在过
	cout << sizeof(A2) << endl;//1
	cout << sizeof(A3) << endl;//1有没有成员函数大小是一样的，因为成员函数在公共代码区

	A2 aa1;//存储什么值不重要
	A2 aa2;
	cout << &aa1 << endl;//内存中有1个字节的空间
	cout << &aa2 << endl;

	return 0;
}

 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。

 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

可以看我之前文章自定义数据类型：结构体，枚举，联合_西兰花也是花的博客-CSDN博客

8.类成员函数的this指针

8.1 this指针的引出

this 指针
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;//不是访问类内的成员，类内的只是声明，是访问调用对象的成员
		_month = month;
		_day = day;

	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(2023, 8, 26);
	d1.Print();

	Date d2;
	d2.Init(2023, 8, 27);
	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。

//this 指针
class Date
{
public:
	//this在实参和形参位置不能显示写
	//但是在类里面可以现实的用
	void Init(int year, int month, int day)//3个参数，还有一个隐藏的参数，this指针
	{
		cout << this << endl;

		_year = year;//不是访问类内的成员，类内的只是声明
		_month = month;
		_day = day;
		//this->_month = month;
		//this->_day = day;//没有写this编译器会自己加上

		//Print();//可以调用函数，前面也会自动加this->
		//this->Print();//成员变量和成员函数前都有this
	}

	void Print()//一个隐藏的参数，this指针
	{
		cout << this << endl;
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}

	int _year;//只是声明，没有开辟空间
	int _month;
	int _day;
};

8.2 this指针的特性

  1. this指针的类型：类的类型 * const ，例如上面的Date* const this，即成员函数中，不能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。

 【面试题】
1. this指针存在哪里？

   答：this指针是函数形参，存在栈区，但一般情况由编译器通过ecx寄存器传递。
2. this指针可以为空吗

   答：可以，但是调用的成员函数内不能访问对象的成员。看下面可以代码可以理解。

 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 << "void Print()" << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;

	p->Print();

	return 0;
}

答案是C。因为没有对空指针解引用。

int main()
{
	A* p = nullptr;
	A p1;
	//看汇编  
	p->Print();//这里并没有解引用p,因为Print()函数在公共代码区，然后把p传递给this指针
	//传递this指针是直接放到寄存器中了，不是压栈传参

	//编译器很聪明，不会解引用，会转换成汇编指令，汇编与上面相同
	(*p).Print();//还是可以运行， 与上面同理，Print()没有在对象里面，不会访问对象
	
	p1.Print(); //这里会取p1的地址

	//编译器比较智能，老编译器可能会出错
	p->_a;//没有做任何事情，就没有生成指令，实际没有访问，其他编译器可能会报错

	return 0;
}

汇编代码： 

看下面代码

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _a << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;

	p->Print();

	return 0;
}

这里就会出错，因为这里在成员函数内对空指针this进行了解引用。

8.3 C语言和C++实现Stack的对比

1. C语言实现

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

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。

本篇结束。

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