【C++类和对象】类和对象的引入

大耳朵土土垚

发布于 2024-04-15 09:14:49

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发布于 2024-04-15 09:14:49

文章被收录于专栏：c/c++

💞💞 前言

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1.面向过程与面向对象

面向过程和面向对象是两种不同的编程方式。
面向过程编程是一种以过程为基础的编程方式，它将问题分解为一系列的步骤和操作，通过定义和调用函数来实现程序的功能。面向过程强调程序的执行顺序和各个步骤之间的数据传递。
面向对象编程是以对象为基础的编程方式，它将问题抽象为一组对象，并通过定义对象的属性和方法来描述对象的特征和行为。面向对象强调对象之间的交互和消息传递，通过定义类和创建对象来实现程序的功能。例如下图：

面向过程和面向对象有各自的优缺点和适用场景。面向过程可以更直观地描述问题的步骤和流程，适用于简单的、线性的问题。而面向对象可以更好地组织和管理复杂的问题，提供了更高的可重用性和扩展性。
面向过程和面向对象在实际编程中常常结合使用。面向对象编程可以将复杂的问题分解为多个简单的模块，每个模块使用面向过程的方式来实现。这种结合使用的方式称为面向对象程序设计（OOP）。

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：之前在数据结构专栏中，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：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
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;
}

结果如下：

上面结构体的定义C++更喜欢用class来代替struct

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。例如：

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:: 例如：

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？
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】

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) 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

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。例如：

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

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。类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。
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。

例如：

int main()
{
 Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
 return 0;
}//需要先进行类的实例化

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。

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，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间：

只有如上图所示利用Person这个类定义出了man这个实例才可以进行后续的一系列操作；

7.类对象模型

7.1类对象的存储方式猜测

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函数代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？

函数代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

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？

我们可以通过下面的代码结果来分析：

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:
	void f1() {}
private:
	int _a;
};

// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
	void f2() {}
};

// 类中什么都没有---空类
class A3
{};

int main()
{
	cout << sizeof(A1) << endl;
	cout << sizeof(A2) << endl;
	cout << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

结果如下：

结论：

类对象是按照第三种将函数代码放在公共代码区的方式来存储的
一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和（不包含成员函数），当然要注意内存对齐规则（内存对齐参考结构体内存对齐——C语言结构体内存对齐规则及大小计算）
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

7.2 如何计算类对象的大小

例如下面的类：

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

该结构体成员变量只有char类型的变量_a,大小是1字节，再根据内存对齐规则得出该类的大小是1 结果如下：

8.this指针

8.1 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:
		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;
}

结果如下：

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this，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。

也就是说在调用成员函数时实际上多传递了一个this参数来定位是哪个类对象，所以对于成员函数你也可以这样写：

class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
	}
private:
		int _year;    // 年
		int _month;  // 月
		int _day;   // 日
};

结果还是一样的：