C++之面向对象（上）

摘星

发布于 2023-04-28 09:08:37

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发布于 2023-04-28 09:08:37

文章被收录于专栏：C/C++学习

前言

本文开始我们总结关于C++面向对象的相关概念，本文主要介绍C++中用来实现封装功能的类。

一、面向过程和面向对象（初步认识）

C语言是面向过程的语言，关注的是过程，要先分析出求解问题的过程，再通过函数调用一步一步的求解问题。 C++是基于面向对象的，关注的是对象，将一件事情分解成不同的对象，通过这些不同的对象之间的交互过程来完成一件事用现实中洗衣服这件事举例：面向过程：要关注洗衣服的过程，即洗衣服的每一个步骤。

面向对象：要关注洗衣服的对象，即洗衣服这件事的相关对象。

二、类

C语言的结构体（struct）中只能定义变量，而在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数，此时的结构体称为C++中的类。

1.类的定义

继承自C语言的struct可以作为类的关键字，但是C++也有定义类的新关键字class。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

其中className是类名，{}中是类体。类体中的内容称为类的成员：类中的变量称为类的属性或者成员变量，类中的函数称为类的方法或者成员函数。

2.类的两种定义方式

1.声明和定义不分离

即声明和定义都放在类中，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。

//人
class person
{
public:
	//显示信息
	void showInfo()
	{
		cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
	}
private:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

2.声明和定义分离

即，将声明放在.h文件中，将定义放置在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::

//person.h
class person
{
public:
	//显示信息
	void showInfo();
private:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

//person.cpp
#include"person.h"
void person::showInfo()//注意：成员函数名前需要加类名::，作用域操作符
{
	cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
}

3.C++类中内些成员函数会被认为成内联函数？

隐式内联，在类中定义的成员函数；

class person
{
public:
	//显示信息
	void showInfo()
	{
		cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
	}
private:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};

在类中显示声明为内联函数，在类外定义的成员函数；

class person
{
public:
	//显示信息
	inline void showInfo();//显示声明为内联函数
private:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};
void person::showInfo()
{
	cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
}

追加内联，在类中没有显示声明，但是在类外定义为内联函数。

class person
{
public:
	//显示信息
	void showInfo();
private:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};
inline void person::showInfo()//类外定义为内联函数
{
	cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
}

类中不是内联函数的成员函数：在类中没有显示声明，在类外定义也没有定义为内联函数。

class person
{
public:
	//显示信息
	void showInfo();
private:
	char* _name;//姓名
	char* _sex;//性别
	int _age;//年龄
};
void person::showInfo()
{
	cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
}

3.类的成员变量命名规则

先看一段代码：

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

计算机可以分辨出两个year分别对应的成员变量还是函数参数，但是这样的命名方式人不好理解，会增加阅读成本。对此，我们应该采用将成员变量和函数参数定义为不同名的命名规则

class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		_year = year;
	}
private:
	int _year;//前缀_标识区分
};

或者

class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		mYear = year;
	}
private:
	int mYear;//前缀m标识区分
};

4.类的访问限定符及封装

C++实现封装的方式：用类将对象的属性与方法结合在一起，让对象更加完善，再通过访问权限选择性的将其接口提供给外部的用户使用。

1.访问限定符

访问限定符说明

public在类外可以直接被访问
private在类外不可以直接被访问
protected在类外不可以直接被访问
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默认访问权限为public(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

2.封装

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，仅对外公开接口来进行对象间的交互。封装本质上是一种管理，让用户更方便的使用类。举个例子：

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。

类似的，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的实现细节，同时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。如果要在类体外定义成员，则需要使用 :: 作用域操作符指明该成员属于哪个类域。

class Person
{
public:
	void PrintPersonInfo();
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int _age;
};
// 这里需要指定PrintPersonInfo函数是属于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

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，定义出的类并没有为它分配实际的内存空间；比如：盖房子需要的设计图纸，这个图纸就可以看成是一个类，来描述具体房子的信息。
类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象是占用实际的物理空间，存储类成员变量。

7.类对象模型

1.如何计算类对象大小

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？正常情况下，我们都会认为类对象中应该同时包含了类的成员变量和成员函数，类的大小应该是成员变量和成员函数在内存中所占空间的大小，那么事实如此吗？对于上面的代码，我们认为该类在32位环境下的大小应该是

4 + 1 = 5 存储成员函数的函数地址，需要四个字节成员变量a在内存中占一个字节因此类的大小应该是五个字节

然而运行结果却与我们所想的不同：

这是为什么呢？我们接下来对类对象的存储方式进行一下猜测。

2.类对象的存储方式

对象中包含类的各个成员

这种方式的缺陷：每个对象中的成员变量是不同的，但是它们调用同一份函数。如果按照这种方式存储，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会保存一份成员函数的代码，相同代码保存多次，会导致空间浪费。那么如何解决呢？

类成员函数的代码只保存一份，并在对象中保存存放代码的地址

这种每个对象记录函数地址的方式还是有些浪费空间。这个类的成员函数就在类里面，每个类对象还需要去记录函数的函数地址吗？

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

那么，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？我们可以通过分别获取下面的不同类的对象的大小来进行分析：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:
	void f1(){}
private:
	int _a;
};
// 类中只有成员函数
class A2 {
public:
	void f2() {}
};
// 类中什么都没有——空类
class A3
{};
int main()
{
	cout << sizeof(A1)<<" " << sizeof(A2) <<" "<< sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

运行结果如下：

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，其中只有成员函数或者空类，这两种情况比较特殊，编译器给了这种类一个字节来唯一标识这个类的对象。

3.结构体内存对齐规则

C++结构体内存对齐规则与C语言中结构体内存对齐规则相同。

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（在所有变量类型最大者与默认对齐数之间取最小值）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

8.`this`指针

1.`this`指针的引出

我们先来看以下代码：

class Data
{
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;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Data d1, d2;
	d1.InIt(2022, 02, 22);
	d2.InIt(2022, 01, 01);
	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

运行结果：

我们观察上面的代码，会有这样一个问题：Data类中有InIt和Print两个成员函数，函数体中没有关于不同对象的区分，那么当d1调用InIt函数时，该函数时如何知道要设置d1对象而不是设置d2对象呢？答：这个问题是因为C++中引入了this指针这个概念，即：C++编译器给每个“非静态的成员函数”增加了一个隐藏的this指针参数，让this指针指向当前对象（还是南湖运行时，调用函数的对象），在函数中所有“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都是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。

2.this指针的特性

this指针的类型：类类型*const，即在成员函数中，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是，将对象的地址作为实参传给this形参，所有this指针不是存储在对象内的，而是在函数调用时的函数栈帧上的；
this指针是“成员函数”第一个隐含的指针形参，一般情况下由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传参；

了解到这里，我们要思考以下两个问题： 1.this指针存在哪里？ this指针存在函数调用时的函数栈帧里，即栈区。 2.this指针可以为空（nullptr）吗？看以下两个选择题：

//1.以下程序编译运行的结果是？ 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;
}

//2.以下程序编译运行的结果是？ A.编译报错  B.运行崩溃  C.正常运行
class B
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	B* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

答案：1.C 2.B。

3.C语言和C++实现Stack的对比

1.C语言实现

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
	DataType* arr;
	int capacity;//栈的容量
	int size;//栈中元素个数
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)//创建栈
{
	assert(ps);
	ps->arr = (DataType*)malloc(sizeof(DataType)* 4);
	if (NULL == ps->arr)
	{
		assert(0);
		return;
	}
	ps->capacity = 4;
	ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)//销毁栈
{
	assert(ps);
	if (ps->arr)
	{
		free(ps->arr);
		ps->arr = NULL;
		ps->capacity = 0;
		ps->size = 0;
	}
}
void CheckCapacity(Stack* ps)//扩容
{
	if (ps->size == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity * 2;
		DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->arr,newcapacity*sizeof(DataType));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		ps->arr = temp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)//入栈
{
	assert(ps);
	CheckCapacity(ps);
	ps->arr[ps->size] = data;
	ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)//栈是否为空
{
	assert(ps);
	return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)//出栈
{
	if (StackEmpty(ps))
		return;
	ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)//栈顶元素
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->arr[ps->size - 1];
}
int StackSize(Stack* ps)//栈的元素个数
{
	assert(ps);
	return ps->size;
}
int main()//测试
{
	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;
}

运行结果：

观察可得，C语言实现的Stack相关操作函数由以下共性：

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进行检测，避免该参数为NULL，造成程序崩溃；
函数都是通过Stack*指针参数操作栈的；
函数调用必须传递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定义在结构体中，即数据和操作数据的方法是分离的。这种实现方式是复杂的，涉及到大量的指针操作，容易出错。

2.C++语言实现

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	void Init()//创建栈
	{
		_arr = (DataType*)malloc(sizeof(DataType)* 4);
		if (NULL == _arr)
		{
			perror("malloc申请空间失败!!!");
			return;
		}
		_capacity = 4;
		_size = 0;
	}
	void Push(DataType data)//入栈
	{
		CheckCapacity();
		_arr[_size] = data;
		_size++;
	}
	void Pop()//出栈
	{
		if (Empty())
			return;
		_size--;
	}
	DataType Top()//栈顶元素
	{
		return _arr[_size - 1]; 
	}
	int Empty() //判断栈是否为空
	{
		return 0 == _size; 
	}
	int Size()//栈中元素个数
	{
		return _size; 
	}
	void Destroy()//销毁栈
	{
		if (_arr)
		{
			free(_arr);
			_arr = NULL;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	void CheckCapacity()//扩容
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			int newcapacity = _capacity * 2;
			DataType* temp = (DataType*)realloc(_arr, newcapacity *sizeof(DataType));
			if (temp == NULL)
			{
				perror("realloc申请空间失败!!!");
				return;
			}
			_arr = temp;
			_capacity = newcapacity;
		}
	}
private:
	DataType* _arr;
	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;
}

运行结果：

C++中可以通过类，将数据以及操作数据的方法放在类中，通过访问权限可以控制哪些方法可以在类外进行访问，即封装。在使用操作数据的方法时，就像使用自己的成员一样，符合人类对某一件事物的认知。而且每个方法不需要传递Stack*的参数，编译器编译之后参数会自动还原，即C++中Stack*参数是由编译器进行维护的，而C语言中需要用户自己维护。

三、相关练习题

问题：C++中struct和class的区别是什么？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。
结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？答：（1）内存对齐是什么？内存对齐是指编译器将每个数据单元安排在适当的位置的位置上。（2）结构体怎么对齐？结构体对齐是依照结构体内存对齐规则（本文有讲解）。（3）为什么要进行内存对齐？ ①平台原因（移植原因）某些编译器不能对任意内存位置进行操作，所以要将数据存储在可被操作的位置。 ②性能原因如果没有内存对齐，对数据的访问要进行两次，有内存对齐，对数据的访问只要进行一次。 ③总结来说，内存对齐就是用空间换时间。 ④如果想要既节省时间又节省空间，就可以将占内存小的变量集中定义。
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？可以通过使用#pragma pack()对默认对齐数进行修改和恢复，实现让结构体按照指定的对齐参数进行对齐，因此，可以按照任意字节对齐。
什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端？（1）什么是大小端？大端是指，数据存储时，高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址；小端是指，数据存储时，高位字节存储在高地址，低位字节存储在低地址；

（2）如何判断某台机器是大端还是小端？利用联合体改变一个成员变量，其他成员变量也会被修改的特点，判断大小端：

//判断当前计算机的大小端
int is_little_endian()
{
	union Un
	{
		int a;
		char b;
	};
	union Un i;
	i.a = 1;
	return i.b;
}
int main()
{
	int ret = is_little_endian();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	if (ret == 0)
	{
		printf("大端\n");
	}
}

运行结果：

总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了C++中的类的相关概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！

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原始发表：2023-03-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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