2.类和对象（上）

1. 类的定义

1.1 类定义格式

• class为定义类的关键字，Stack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; （类和结构体非常像，跟结构体不一样的就是在类里面可以定义函数）类中的函数称为类的方法或者成员函数。

• 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识，如成员变量前面或者后面加_ 或者 m开头，注意C++中这个并不是强制的，只是一些惯例，具体看公司的要求。

• C++中也可以使用struct来定义类，C++兼容C中struct的用法，同时struct升级成了类，明显的变化是struct中可以定义函数，一般情况下我们还是推荐用class定义类。（struct 也可以定义类）

这是我们在C语言中定义的

在C＋＋中就不一样了，在C＋＋中struct就可以定义函数，但是我们遵循1.1第二条的原则，要加一个特殊标识符，就要设计成这个样子了。

• 定义在类里面的成员函数默认为inline。

在C＋＋之后，就可以用类名当类型定义对象。（类名就是类型，用类型来定义对象）

类可以对比我们的结构体学习，跟结构体不同的地方是：类里面可以定义函数，这是最大的不同，用法上不用加class。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include<iostream> #include<assert.h> using namespace std; class Stack { public:     // 成员函数     void Init(int n = 4)     {         array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);         if (nullptr == array)         {             perror("malloc申请空间失败");             return;         }         capacity = n;         top = 0;     }     void Push(int x)     {         // ...扩容         array[top++] = x;     }int Top()     {         assert(top > 0);         return array[top - 1];     }     void Destroy()     {         free(array);         array = nullptr;         top = capacity = 0;     } private:     // 成员变量     int* array;     size_t capacity;     size_t top; }; // 分号不能省略 struct Person { public:     void Init(const char* name, int age, int tel)     {         //在这要初始化这个名字就不能直接给了，我们要借助C语言的库函数，strcpy         strcpy(_name, name);//加个特殊标识好区分         _age = age;         _tel = tel;     }     //我们也可以写一个打印函数     void Print()     {         cout << "姓名：" << _name << endl;         cout << "年龄：" << _age << endl;         cout << "电话号码：" << _tel << endl;     } private:     char _name[10]; //在这为什么不用const char*，而要用一个数组呢？     int _age;      //用一个数组的原因是：后面我们要修改一个信息，我们就可以修改，如果用一个const char*，     int _tel;     //外面是一个常量字符串，想修改我们的名字，是修改不了的。其实用const char*也可以，不影响。 }; int main() {     /*Stack st;     st.Init();//结构体访问成员要用.     st.Push(1);     st.Push(2);     cout << st.Top() << endl;     st.Destroy();*/     Person p1;     p1.Init("张三", 18, 110);     p1.Print();     return 0; }

//我们用class定义类的时候与struct定义类的时候，一模一样（在这个角度来说）

//C＋＋对这块定义的时候进行了升级，类型就可以当类名。

struct ListNode {     ListNode* next;     int val; };

反正不论struct还是class，一般来说，成员变量都是私有的，不期望在外面去访问，要访问都通过成员函数去访问。

C＋＋还有一个特点是兼容C当中struct的所有用法，默认情况下struct都是公有的。

1.2 访问限定符

• C++⼀种实现封装的方式，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。

• 公有就是 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，在我们这个阶段我们认为protected和private是一样的，以后继承章节才能体现出他们的区别。

• 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定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private，struct默认为public。

• 一 般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别人使用的成员函数会放为public。一般情况下，一个类成员变量都是私有的，成员函数大部分都是公有的。

一般来说，我的类设计的时候，我不期望你随便访问修改我的数据。你要访问我的数据，本质是通过调用我的函数去访问，比如说要初始化，调用Init函数，要插入数据，调用Push，也不用关心Top到底是指向栈顶元素还是栈顶元素的下一个，要插入数据就插入，要获取栈顶元素就获取，要初始化就初始化，要销毁就销毁，不用管里面的细节，这是一种封装的体现，这呢对比C语言是有好处的，有什么好处呢？这里我们把类学了更多了以后，这个章节的最后一个部分（ 4. C++和C语言实现Stack对比）我们再来对比。

1.3 类域

• 类定义了以个新的作用域，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。

我们说，同一个域不能有同名变量，不同的域可以有同名变量，所以类这块也形成一个域，叫做类域。

• 类域影响的是编译的查找规则，下面程序中Init如果不指定类域Stack，那么编译器就把Init当成全

局函数，那么编译时，找不到array等成员的声明/定义在哪里，就会报错。指定类域Stack，就是知

道Init是成员函数，当前域找不到的array等成员，就会到类域中去查找。

2. 实例化

2.1 实例化概念

• 用 类的类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。

• 类是对象进行一种抽象描述，是一个模型一样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，用类实例化出对象时，才会分配空间。

• 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。打个比方：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，设计图规划了有多少个房间，房间大小功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住人，用设计图修建出房子，房子才能住人。同样类就像设计图⼀样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据。

接下来我们定义一个日期类：

class Data { public:     void Init(int year, int month, int day)     {         _year = year;         _month = month;         _day = day;     } private:     //下面三个变量都是声明     int _year;     int _month;     int _day; }; int year;//这里是定义 int main() {     //我们用class定义出的是一个类型Data     //用类型定义出一个对象d1，这个对象包含_year,_month,_day     //是随着对象定义而定义的，这里的对象定义我们把它叫做类实例化出对象     //类和对象的关系是一对多的关系，也就是说，一个类可以实例化出多个对象     Data d1;     return 0; }

（声明和定义不能用初始化来区分）声明和定义的特征在这个地方要用什么来看呢？比较好的一个方式就是有没有开空间。

2.2 对象大小

分析⼀下类对象中哪些成员呢？类实例化出的每个对象，都有独立的数据空间，所以对象中肯定包含成员变量，那么成员函数是否包含呢？首先函数被编译后是⼀段指令，对象中没办法存储，这些指令存储在一个单独的区域(代码段)，那么对象中非要存储的话，只能是成员函数的指针。再分析⼀下，对象中是否有存储指针的必要呢，Date实例化d1和d2两个对象，d1和d2都有各自独立的成员变量_year/_month/_day存储各自的数据，但是d1和d2的成员函数Init/Print指针却是⼀样的，存储在对象中就浪费了。如果用Date实例化100个对象，那么成员函数指针就重复存储100次，太浪费了。这里需要再额外哆嗦一下，其实函数指针是不需要存储的，函数指针是一个地址，调用函数被编译成汇编指令[call 地址]， 其实编译器在编译链接时，就要找到函数的地址，不是在运行时找，只有动态多态是在运行时找，就需要存储函数地址，这个我们以后会讲解。

对象大小怎么算呢？

上面我们分析了对象中只存储成员变量，C++规定类实例化的对象也要符合内存对齐的规则。

首先也是要考虑内存对齐的问题，其实类的对象实例化里面只存了成员变量，没有存成员函数。成员函数可以认为存储在一个公共的区域。严格来说成员函数如果你调用，是在编译时就确定好地址了，只是函数呢编译好指令会存到一个公共的代码段。它不需要那个指针单独往对象里面存，因为都是一样的。编译的时候就已经确定好这个地址了。

内存对齐规则

• 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。

上面的程序运行后，我们看到没有成员变量的B和C类对象的大小是1，为什么没有成员变量还要给1个字节呢？因为如果⼀个字节都不给，怎么表示对象存在过呢！所以这里给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。没有成员变量的类对象，开1byte，占位，不存储有效数据。

首先类B和类C是一样的，都没有成员变量，那结果不应该是0吗？为什么会是1呢？

如果是0的话，说明B和C定义的时候不需要开空间，不需要开空间怎么表示B和C存在过呢？假设不开空间，那么类B和类C的地址是什么？0个字节不需要开辟空间，那它的地址是什么？

所以对于没有成员变量的类呢， 它的对象我们要给它开空间，开多大的空间呢？开一个字节，那开一个字节是干嘛的？是为了占位，不存储有效数据。只是为了标识对象存在。我们后面会讲到仿函数的类，这个类基本上就没有成员变量。没有成员变量的类还是很常用的。

class A { public:     void Print()     {         cout << _ch << endl;     } private:     char _ch;     int _i; }; class B { public:     void Print()     {         //...     } }; class C {}; int main() {     A a;     B b;     C c;     cout << sizeof(a) << endl; cout << sizeof(b) << endl;     cout << sizeof(c) << endl;     return 0; }

3. this指针

• 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和

Print函数时，该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢？那么这里就要看到C++给了

一个隐含的this指针解决这里的问题。

• 编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加⼀个当前类类型的指针，叫做this指针。比如Date类的Init的真实原型为， void Init(Date* const this, int year, int month, int day)，所有的成员函数都有一个隐含的参数，这个参数叫this。

#include<iostream> using namespace std; class Date { public:     //这里的Init隐含一个形参 void Init(Date* const this, int year, int month, int day)     void Init(int year, int month, int day)     {         // 编译报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值         // this = nullptr;         // this->_year = year;         _year = year;         this->_month = month;         this->_day = day;     }     //所有的成员函数都有一个隐含的参数，这个参数叫this     //void Print(Date* const this, int year, int month, int day)      void Print()      {         //cout << this->_year << "/" << this->_month << "/" << this->_day << endl;         cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;     } private:     // 这里只是声明，没有开空间     int _year;     int _month;     int _day; }; int main() {     // Date类实例化出对象d1和d2     Date d1;     Date d2;     //在这调用Init也不是这样调用的，是这样调用的     //d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);     //d2.Init(&d2, 2024, 7, 5);     //所以Init和Print的时候就能够区分谁是谁了     //调用的确确实实是一个函数，但是用d1调用的时候，this是d1的地址，     //用d2调用的时候，this是d2的地址。     //d1.Print(&d1);     //d2.Print(&d2);     d1.Init(2024, 3, 31);     d1.Print();     d2.Init(2024, 7, 5);     d2.Print();     return 0; }

• 类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this-

>_year = year;（也就意味着在这打印的时候，其实编译器是做成下面的样子的）

• C++规定不能在实参和形参的位置显示的写this指针(编译时编译器会处理)，具体编译器的处理是什么样的要看上图。但是可以在函数体内显示使用this指针。

实参、形参、函数体类你不加，编译器都会显示的加，但是实参和形参的位置我们不能显示加，函数体类我们可以显示着加 。

4. C++和C语言实现Stack对比

面向对象三大特性：封装、继承、多态，下面的对比我们可以初步了解⼀下封装。

通过下面两份代码对比，我们发现C++实现Stack形态上还是发生了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化。

• C++中数据和函数都放到了类里面，通过访问限定符进行了限制，不能再随意通过对象直接修改数据，这是C++封装的⼀种体现，这个是最重要的变化。这里的封装的本质是⼀种更严格规范的管

理，避免出现乱访问修改的问题。当然封装不仅仅是这样的，我们后面还需要不断的去学习。

• C++中有⼀些相对方便的语法，比如Init给的缺省参数会方便很多，成员函数每次不需要传对象地

址，因为this指针隐含的传递了，方便了很多，使用类型不再需要typedef用类名就很方便

• 在我们这个C++入门阶段实现的Stack看起来变了很多，但是实质上变化不大。等着我们后面看STL中的用适配器实现的Stack，大家再感受C++的魅力。