C++心决之类和对象详解（上篇）（封装入门篇）

一枕眠秋雨

发布于 2024-04-25 19:14:03

1340

发布于 2024-04-25 19:14:03

文章被收录于专栏：司钰秘籍司钰秘籍

1.面向过程和面向对象

2.类的引入

3.类的定义

4.类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

4.2 封装

5.类的作用域

6.类的实例化

7.类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

7.2 类对象的存储方式

7.3 结构体内存对齐规则

8.this指针

8.1 this指针

8.2 this指针的特性

8.3. C语言和C++实现Stack的对比

1.面向过程和面向对象

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。当然C++由于兼容C语言，所以它并不像Java那样是纯面向对象的语言。编程领域有句话叫做，面向对象的语言是专门用来做应用层的，面向过程的语言是用来做底层开发的。

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

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;
}

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 。

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，编译器可能会将其当成内
联函数处理。
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。

成员变量命名规则建议_+变量名

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)
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)

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

【面试题】 问题： C++ 中 struct 和 class 的区别是什么？ C++需要兼容 C 语言，所以 C++ 中 struct 可以当成结构体使用。 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

4.2 封装

【面试题】 面向对象的三大特性： 封装、继承、多态 。 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。

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。（c++常用的四个域：局部域，全局域，命名空间域，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，是一个抽象化的概念。
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._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
 return 0;
}

7.类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

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

类的大小是只计算它的成员变量或者自定义成员，不会计算它的成员函数大小。空类或者只有成员函数的类会有1个字节的占位大小，仅仅只用来标记该类存在。

7.2 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函数代码，相同的函数代码保存多次，浪费空间

猜测2：函数 代码只保存一份，在对象中保存存放函数代码的地址

猜测3： 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

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;
};

// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
   void f2() {}
};
// 类中什么都没有---空类
class A3
{};

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？

平台（移植性）原因：不是所有的硬件平台都能够访问任意地址上的任意数据。例如：特定的硬件平台只允许在特定地址获取特定类型的数据，否则会导致异常情况。
性能原因：若访问未对齐的内存，将会导致 CPU 进行两次内存访问，并且要花费额外的时钟周期来处理对齐及运算。而本身就对齐的内存仅需要一次访问就可以完成读取动作。

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？

用法很简单#pragma pack(1)就可以设置默认对齐数为1，#pragma pack()就可以取消设置的默认对齐数，还原为默认。到它为止的默认对齐数还是被修改后的对齐数

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

大端：数据高位对应低地址小端：数据高位对应高地址

原理：用指针的方式来测试大小端，本质上和用共用体来测试是一样的。都是把1赋值给int型变量，然后去判断这个1是存放在高地址还是低地址。假设int型变量的4个字节，在大小端下，各自被赋值为1后，4个字节里保存的数据：大端则存储的4个字节：低地址----->高地址 0X0 ,0X0 ,0X0 ,0X1

小端则存储的4个字节：高地址----->低地址 0X1 ,0X0 ,0X0 ,0X0

int main(void)
{
 int a = 1;
 char *p = NULL;
 p = (char *)&a;
 printf("*p = %d\n",*p);
 if(*p == 1)
 {
  printf("当前是小端模式\n");
 }
 else
 {
  printf("当前是大端模式\n");
 }
 return 0;
}

8.this指针

8.1 this指针

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;
}

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

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。（即该指针只能指向由该类型实例化出来的某一个对象的成员变量，不能更改其指向）
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？ this指针一般存放在栈中，有的编译器会将对象的地址放在寄存器中，this指针也直接放在寄存器中，同时我们不能访问到this指针的地址（编译器会对此做隐藏处理，用&访问会报错，用引用访问的地址是随机的） 2. this 指针可以为空吗？如果不同过对象调用类的成员函数，则this指针指向空就不会报错，反之就会报错（因为你基于某个对象调用该类型的成员函数，就必须将对象的地址传给this指针，确保this指针可以访问到该对象的成员变量）

8.3. 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)
{
 assert(ps);
 ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
 if (NULL == ps->array)
 {
 assert(0);
 return;
 }
比特就业课
 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。

2. 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();
比特就业课
 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 。

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。

原始发表：2024-04-21，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

对象