听说C++有类和对象,所以好好八卦一下

news2024/12/22 20:05:26

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文章目录

  • 前言
  • Ⅰ. 了解面向过程和面向对象
  • Ⅱ. 类的引入和定义
  • Ⅲ. 类的访问限定符及封装
    • 0x00 访问限定符
    • 0x01 封装
  • Ⅳ. 类的作用域
  • Ⅴ. 类的实例化
  • Ⅵ. 类对象模型
    • 0x00 类对象大小
    • 0x01 类对象存储方式
  • Ⅶ. this指针

前言

亲爱的夏目友人帐的小伙伴们，今天我们继续讲解 C++ 入门的知识 类和对象 这里的知识虽然入门，但是却是你后面更加深入学习 C++ 知识的钥匙，所以请跟着夏目学长一起进入 C++ 的世界吧！

Ⅰ. 了解面向过程和面向对象

我们知道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 ；而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。

两种思想的设计方式截然不同，例如设计简单外卖系统：

  • 面向过程：关注实现下单、接单、送餐等过程。体现到代码层面就是函数（方法），总体关注过程
  • 面向对象：关注实现类对象及类对象间的关系。用户，商家，骑手，以及他们之间的关系，提现到代码层面就是类的设计和类之间的关系

C++是基于面向对象的语言：它可以面向过程和面向对象混编，原因是 C++ 兼容 C ；但是对于 java 等纯面向对象语言：只有面向对象 。

两种思想的设计方式完全不同，而我个人认为其实面向对象的设计思想更加好，会有更多的优越性，这些在我们之后的学习中就可以看出来。

Ⅱ. 类的引入和定义

C++ 中定义类有两个关键字 struct/class

举个例子：

struct Student
{
    char name[20];
    int age;
    int num;
    int id;
}

class school
{
    char teacher[20][20];
    char dress[20][20];
}

C++ 兼容 C 中结构体的用法，同时 struct 在 C++ 中也升级成了类 。

在 C语言 中创建结构体局部变量，需要写成：

struct Student s1;

但是升级为类之后，Student 就直接变为类的名称，当定义局部变量时，可以写为 Student s2 ；但是也可以像上面那么写，因为 C++ 是兼容 C 的。

struct Student s1;// C语言写法
Student s2;//C++升级成为类之后的写法

同样，对它们进行使用也没问题：

int main()
{
    struct Student s1;
    Student s2;
    s1.name = "xiamu";
    s1.age = 19;
    s1.num = 1;
    s1.id = 1;

    s2.name = "qianshi";
    s2.age = 19;
    s2.num = 1;
    s2.id = 1;
}

C++中的 struct（类）和结构体不同的是：除了可以定义成员变量（变量）还可以成员函数（函数），成员函数可以访问成员变量，但是如果成员函数中的形参和成员变量相同 ，就像这样：

struct Student
{
    char name[20];
    int age;
    int num;
    int id;

	void init(const char* name, int age, int num, int id) {}
};

这样就分不清形参和成员变量，所以C++就会引入 ‘_’ 的定义变量名，以作区分 ；所以通常会写作：

struct Student
{
    char _name[20];
    int _age;
    int _num;
    int _id;

	void init(const char* name, int age, int num, int id) {}
};

然后我们可以尝试运行新学习到的类里面写成员函数的知识

#include<iostream>
#include<cstring>

using namespace std;
struct Student 
{
    char _name[20];
    int _age;
    int _num;
    int _id;

    void init(const char* name, int age, int num, int id)
    {
        strcpy(_name, name);
        _age = age;
        _num = num;
        _id = id;
    }

    void print()
    {
        cout << _name << endl;
        cout << _age << endl;
        cout <<_num << endl;
        cout << _id << endl;
    }
};

int main()
{
    struct Student s1;
    Student s2;

    s1.init("xiamu",19,1,1);
    s2.init("qianshi",20,1,1);

    s1.print();
    s2.print();
    return 0;
}

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Ⅲ. 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。

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

封装的特性：

  1. 在类中，类的数据和方法都放到一起
  2. 访问限定符

而访问限定符是封装的一个很厉害的特性，基于访问限定符，可以对 对象 进行 严格管控 ，所以我们先学一下它。

0x00 访问限定符

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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（它们类似，但本质不一样）
  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)
  6. 默认访问限定符，即不写时，类中的默认访问权限；一般在定义类时，建议明确定义访问限定符 ，不要用 class/struct的默认限定

访问限定符是约束外面的，对于类中，则没有限定，类里面可以全局访问。

对于 1 , 2 点：

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对于3, 4 点：
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0x01 封装

封装是一种更好的严格管理，不封装是一种自由管理。

封装就是让数据和方法揉搓在一起，进行 严格 的管理。对于 C 是不封装的，是一种较 松散 的管理。C++ 是将数据和方法封装到类里面，C 是数据和方法分离的（数据访问控制是自由的，不受限制的）。

那么C++ 如何进行严格管理？假设定义一个栈：

class stack
{
private:
    int* _a;
    int _top;
    int _capacity;
public:
    void Init()
    {
        _a = nullptr;
        _top = _capacity;
    }
    void push(){}
    void pop() {}
    void Top() {}
};

int main()
{
    stack st1;
    stack st2;
    st1.push();
    st2.pop();
    return 0;
}

如果对于 C 语言，进行 取 top 其实可以有两种方式，就像我们实现的 栈 一样，也可以通过下标进行访问；也可以调用 top 接口放元素。但是这种松散的方式，若不清楚 Stack 本身的状况贸然使用 很容易出错 ，就比如博客中的 top 有两个位置，一不小心就会使用出错。

并且C语言只是推荐调用接口函数，不推荐自己操作，并没有起到强制性的管理作用：

  • 就好比都说“红灯停绿灯行”，这也是一种推荐，但是也会有人偏要做“孤勇者”，从而造成惨痛的结果，所以这里并不严格；如果硬是要强行访问结构，也没办法

这些是被 private 修饰，封装在类里面的，如果直接进行操作，即访问结构，就会报错，因为这时成员变量为私有，不让访问 。

而对于一些方法来说，可以通过 st.Push() / st.Top() 进行访问；用这些对象，调用相应的成员函数 ，不仅不要像之前一样 StackPush(&st1) 一样传参，并且由于成员函数就在类中，甚至连 StackPush 这样的函数名都不用写，因为这个类就是 Stack，对于成员函数直接写为 Push 即可 ；种种约定，让我们写代码十分舒适。

由此，我们总结一下，封装就是：

  • 数据和方法都封装到类里
  • 能访问定义成共有；不能访问定义成私有

好的，我给你用，不好的，直接锁死，不让你访问，这就是封装的好处 ，严格管控了。

较严格的定义：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。

Ⅳ. 类的作用域

先举个例子，假设写一个栈，写两个文件：

class stack
{
public:
    void Init();
    void push(int x);
private:
    int* a;
    int capacity;
    int _top;
};

Stack.cpp ：

#include "stack.h"

void Init()
{
    _a = nullptr;
    _capacity = _top = 0;
}

当跨文件访问时，报错了。这是因为类是由作用域的，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：

Ⅴ. 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。

一个类可以实例化多个对象：

  • 就好比类是图纸，根据图纸可以建造出楼房，四栋都不是问题。

在这里插入图片描述
但是对于类本身是图纸，图纸并不能住人；房子才能住人。

所以对于类创建出来的对象，可以访问类中成员；但是对于类本身，是不能访问成员与方法的：

int main()
{
    Date d1;
    d1.print();
    Date.print();
    return 0;
}

所以对于类仅仅起 描述作用 而已，真正使用还是要类对象 。而我们可以认为类这些代码存在代码段，是公共的。

Ⅵ. 类对象模型

0x00 类对象大小

对于类对象的大小，该如何计算？

class Stack
{
public:
	void Init();
	void Push();
private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _top;
};

写出主函数

int main()
{
	Stack st;
	cout << sizeof(Stack) << endl;
	cout << sizeof(st) << endl;
	
	return 0;
}

在这里插入图片描述
那么对象中存了成员变量，是否存了成员函数呢？ 答案是没存成员函数。如何理解？先修改代码（将 Stack 都变为公有），便于测试：

class Stack
{
public:
	void Init();
	void push(int x);
	// ... 

	int* _a;
	int _capacity;
	int _top;
};

对于两个不同的类对象，各自具有独立的空间，具有独立的成员变量：

int main()
{
	Stack s1;
	Stack s2;
	
	s1._top = 1;
	s2._top = 1;
	
	s1.Init();
	s2.Init(); 
	
	return 0;
}

0x01 类对象存储方式

那么为什么不包含成员函数？看下方成员变量和成员函数都存储的设计方式：
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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。

但是如果采用设计方法，就可以减少对空间的消耗：
在这里插入图片描述

对于类中成员变量，独立保存起来；但是类中成员函数就和普通的函数一样存在于公共代码区，即代码段，也就是常量字符串存储地，这里存在代码段的含义就是：函数被编译后的指令存在于代码段。

对于如何计算类的大小有几点：

  1. 类中只计算成员变量的大小，计算方式满足C语言结构体内存对齐
  2. 空类和只具有成员函数的类大小为 1

对于空类和只有成员函数的类也有自己的地址，并不是空，所以一定有大小，编译器给了空类 1 字节来唯一标识空类（当然也有类的大小也为1，具体看实现）：

class c
{
	char ch;
};

class NU
{	
};

class x
{
	void Init();
};

int main()
{
	c a;
	NU b;
	x c;
	
	cout << sizeof(a) << " " << sizeof(b) << " " << sizeof(c) << " ";
	
	
	return 0;
}

在这里插入图片描述

这 1 字节是为了占位，并不存储有效数据，标识对象被实例化定义了，表示存在 。

总结：计算类或类对象的大小，只看成员变量，并考虑内存对齐，C++内存对齐规则跟 C 结构体一致

Ⅶ. this指针

对于之后的学习，我们将围绕日期类和栈类，来对类和对象更好地理解，所以我们先写出一个日期类：

#include<bits/stdc++.h>

using namespace std;

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;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	d1.Init(2023,1,1);
	d1.Print();
	
	Date d2;
	d2.Init(2023,1,2);
	d2.Print();
	
	return 0;
}

执行程序:
在这里插入图片描述
上面讲过 类的实例化 后，我们知道类实例化处的每个对象是独立的，所以对象的成员变量是独立的，但是多个类对象都使用共同的成员函数 ：

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看到 call 指令这一行，发现函数的地址是相同的，也印证了我们的说法：不同对象使用相同成员函数。

当代码被编译之后，编译器会对成员函数进行处理，例如这里的 Print 函数，就有一个隐藏的 this 指针 ，类似：

void Print(Date* const this) 
	// const 是因为 this 指针不可改，this 是指针，所以直接用 const 修饰 this 
{
    cout << this->year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
}

// 调用 
d1.Print(&d1);

大约就是这么处理的。当不同的对象调用时，根据传过来的地址，this 指针会指向不同的对象。同理，对于 Init 函数也是这样，我就不多赘述了。

但是注意一点，虽然道理是这样，但是我们不能这么写，例如 d1.Print(&d1) 就会报错，因为 this 指针是隐藏的，统一规定就别写.

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📌 [ 笔者 ]   夏目浅石.
📃 [ 更新 ]   2023.9
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！

📜 参考文献：

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.
维基百科[EB/OL]. []. https://zh.wikipedia.org/wiki/Wikipedia
B. 比特科技. C/C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31]

在这里插入图片描述如果侵权，请联系作者夏目浅石，立刻删除

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