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[C++知识库]【C++初阶】万字总结类和对象(一)

大家好我是沐曦希💕

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。

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。

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。

#include<iostream>
using namespace std;
//兼容C的struct的用法，并增加了在struct中可以定义声明函数。
//成为了类class+类名 
//类=属性(成员变量)+方法(成员函数)
typedef int DataType;
class Stack
{
    //成员函数(方法)
	void Init(size_t capacity = 4)//可以利用C++增加的缺省
	{
		_a = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
		if (_a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	DataType* CheckCapacity(size_t capacity)
	{
		if (capacity != _top)
			return nullptr;
		DataType* tmp = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity * 2);
		if (tmp == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		_capacity *= 2;
		return tmp;
	}
	void Push(int x)
	{
		//扩容
		DataType* tmp = CheckCapacity(_capacity);
		if (tmp != nullptr)
		{
			_a = tmp;
		}
		_a[_top] = x;
		_top++;
	}
	int Top()
	{
		return _a[_top - 1];
	}
	void Destroy()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_top = _capacity = 0;
	}
	//成员属性(变量)放在类的上面还是下面都是可以的
	//因为C++把类看成了一个整体，并没有效率的影响
	DataType* _a;
	int _top;
	size_t _capacity;
};//分号不能省略
int main()
{
	Stack st1;
	st1.Init();
	st1.Push(1);
	st1.Push(2);
	st1.Push(3);
	st1.Push(4);
	st1.Push(5);
	cout << st1.Top() << endl;
	st1.Destroy();
	return 0;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替构造体struct。并且把变量称为属性/成员变量，把函数称为成员函数/成员方法。

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。
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：

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。

#include<iostream>
using namespace std;
//成员函数的声明和定义都放在类的定义中
//人
class Preson
{
public:
	//初始化基本信息
	void Init(const char* name,const char* sex,const int age)
	{
		strcpy(_name, name);
		strcpy(_sex, sex);
		_age = age;
	}
	//显示基本信息
	void ShowInfo()
	{
		cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
	}
private:
	//函数属性(成员变量)
	char _name[30];
	char _sex[10];
	int _age;
};

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。

类定义的习惯:
类的成员变量使用修饰符修饰 ,与C语言结构体不同，由于类中可以同时定义变量和函数，所以函数的形参与类成员变量就可能会发生冲突，这种情况在 Init 函数中十分常见，如下：

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

Init 函数的形参和类成员变量相同，这就导致我们初始化赋值的不确定性，可以使用类名+域作用限定符或者this指针来解决这个问题。

void Init(int year, int month, int day)
{
	Date::year = year;
	this->month = month;
	this->day = day;
}

这样比较麻烦，所以C++有其他成员变量的命名习惯，比如：_menber,menber_,m_menber等等，小沐比较习惯第一种命名方法：即成员变量前有下划线_

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

成员变量定义在成员函数后面。C语言编译器寻找变量的规则是先到前面去找，然后再到全局去找，所以在C语言中变量必须定义在函数前面，才可以在函数中使用该变量；但是C++编译器不一样，C++编译器会把类看作一个整体，遇到一个变量时，编译器会到整个类中去寻找，没有找到就再到全局去寻找；所以在C++中，可以将成员变量定义成员函数后面的。
为什么把成员函数放在成员变量前面呢？
因为用户一般关注更多的是函数接口，而且能方便别人阅读你的代码。

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。
在这里插入图片描述
【访问限定符说明】

public修饰的成员在类外可以直接被访问
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)
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
如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
class的默认访问权限为
private，struct为public(因为struct要兼容C)

访问限定符的存在使得用户不能直接修改类中的成员变量，而是只能使用我们提供的特定接口，让类中的数据更加安全，也让用户使用类的方式更加规范。
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
在这里插入图片描述

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。

即C++中struct也可以使用访问限定符。

Stack::a = 0;//成员变量a是公有的，会报错
//不能这样访问，因为它只是一个类型中有什么成员变量，只是声明，没有空间
//和C中的struct一样，不能直接拿struct的变量直接赋值。
//正确用法：先创建应该实列，在进行访问该实例的变量

4.2 封装

面向对象的有很多特性，其中三大特性：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。

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。

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。
在这里插入图片描述
这里需要指定Init是属于Date这个类域。

6.类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

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。
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。
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

7.类对象模型

7.1 计算类对象的大小

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？

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	char _a;
};
int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
}

那么就要了解类的对象的存储。

7.2 类对象的存储方式

早期关于类对象的存储方式一共有三种设计方式：

方式一

对象中包含类的各个成员（成员变量和成员函数）
在这里插入图片描述
注：函数经过编译后变成一段指令，而这段指令并不存在于对象中，而是存在于一个公共区域 – 常量区 (代码段) 中；所以，同一个类实例化出的不同对象使用的是同一个函数，但是同一个类的不同对象不能共用同一个成员变量，因为每一个对象的成员变量的值都是不同的；另外，通常把这段指令中第一条指令的地址作为函数的地址，而类对象中存储的就是这个地址。

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？

方式二

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

方式三

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
在这里插入图片描述

方式一太浪费空间了，那么方式一还是方式三呢？

实际上，由于函数经过编译后形成的指令是由编译器放置到代码段中去的，所以编译器在调用该函数时也能轻松的找到指令在代码段中所处的位置，并且编译器并也不会将不同类中成员函数所形成的指令混淆。所以方式二存储代码段的地址也显得浪费了，因为即使没有这个地址，也能高效准确的调用成员函数；所以最终选用方法三来存储类对象，即一个类的大小，实际就是该类中 ”成员变量” 之和。
在这里插入图片描述
所以是按照方式三进行存储的，只存储成员变量，成员函数放在代码段。

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

空类的大小

对于一些特殊的类，比如空类：只有成员函数或者什么都没有的类，他们的大小是多少呢？是0还是别的值？
在这里插入图片描述
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。
因为当我们使用一个空类实例化多个对象时，需要用不同的空间来标识区分它们。

7.3 结构体内存对齐规则

可以参考小沐以前的博客:【C语言进阶】自定义类型——结构体

第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
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
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。
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】

结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？
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？
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。

8.this指针

8.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
	void Init(int year = 1970, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.Init(2022, 10, 7);
	d2.Init(2022, 10, 6);
	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。

8.2 this指针的特性

this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
只能在“成员函数”的内部使用
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。
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
经过编译器处理后变成

class Date
{
public:
	void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	void Print(Date* const this)
	{
		cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1;
	Date d2;
	d1.Init(&d1, 2022, 10, 7);
	d2.Init(&d2, 2022, 10, 6);
	d1.Print(&d1);
	d2.Print(&d2);
	return 0;
}

但是 this 指针参数以及对象的地址都是由编译器自动传递的，当用户主动传递时编译器会报错；不过在成员函数内部我们是可以显示的去使用 this 指针的。

8.3 面试题

this指针存在哪里？
this 指针作为函数形参，存在于函数的栈帧中，而函数栈帧在栈区上开辟空间，所以 this 指针存在于栈区上；不过VS编译器对 this 指针进行了优化，使用 ecx 寄存器保存 this 指针。
this指针可以为空吗？
this 指针作为参数传递时是可以为空的，但是如果成员函数中使用到了 this 指针，那么就会造成对空指针的解引用。

// 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;
}

程序正常进行，因为用空指针p访问了成员函数Print，但是由于成员函数并不存在于对象中，而是存在于代码段中，所以编译器并不会通过类对象p去访问成员函数，即并不会对p进行解引用。因为编译器会把空指针p传给形参this，而this作为参数传递可以为空，而Print未对this解引用。

// 2.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;
}

程序运行崩溃，因为 p->Print 处虽然可以正常运行，但是在Print函数内部，_a 会被转化为 this->_a，发生了空指针this的解引用。

9. C语言和C++实现Stack的对比

9.1 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)
{
	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，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。

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，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。