C++的面向诗篇：类的叙事与对象的旋律

news2024/9/23 23:28:31

 

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系列专栏：〖C/C++小游戏〗〖Linux〗〖数据结构〗 〖C语言〗

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一、面向对象的定义

学习C语言时，我们就经常听说C语言是面向过程的，那么什么是面向过程呢？举个例子，我们现在要完成洗衣服的工作，此刻我们关注的是洗衣服的过程：

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。

二、类的引入

C语言中，结构体内只能定义变量，在C++中，结构体内不仅可以定义变量，还可以定义函数。

以前用C语言实现数据结构——栈时，我们这样定义：

//C语言
typedef int DataOfStackType;

typedef struct stack
{
	DataOfStackType* a;
	int top;
	int capacity;
}stack;

void StackInit(stack* ps);

void StackPush(stack* ps, DataOfStackType data);

void StackPop(stack* ps);

//...

 而在C++中，我们可以这样定义：

//C++
typedef int DataOfStackType;

typedef struct stack
{
	void StackInit(stack* ps);

	void StackPush(stack* ps, DataOfStackType data);

	void StackPop(stack* ps);
//...

	DataOfStackType* a;
	int top;
	int capacity;
}stack;

像上面的定义方式，C++中更喜欢用一个新的名字——class来代替struct。

class stack
{
	void StackInit(stack* ps);

	void StackPush(stack* ps, DataOfStackType data);

	void StackPop(stack* ps);
//...

	DataOfStackType* a;
	int top;
	int capacity;
};

命名规则建议：C++类的成员我们习惯在前面加一个_（来区分类的对象和传入的参数）

三、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

如上所示，类的定义与结构体的定义非常相似，但我们还是得认识几个专有名词。

  • class ：定义类的关键字；
  • class Name：类的名字；
  • 类的主体：{}中为类的主体，由成员变量和成员方法组成；
  • 成员变量：又称类的属性，指在类中定义的变量；
  • 成员函数：又称类的方法，指在类中定义的函数；
  • 成员变量命名前最好+_来和函数的参数区分

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。

//日期类
class Date
{
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

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。

//Date.h文件中声明类
//日期类
class Date
{
public:

	void Init(int year, int month, int day);
	void Print();
	
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


//Date.c文件中定义成员函数
#include"Date.h"

void Date::Init(int year, int month, int day)
{
	_year = year;
	_month = month;
	_day = day;
}
void Date::Print()
{
	cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}

四、类的访问限定符与封装

4.1 访问限定符

我们在类中定义了各种成员函数与成员变量，有时候，我们不想让别人随便访问类中的某些成员，比如成员变量，但其它的成员对外开放，比如成员函数，那么我们就需要用到访问限定符来修饰这些成员。

访问限定符有三个：public、protected、private。

  【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。

一道面试题

问题：C++中 struct 和 class 的区别是什么？

解答： 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。

4.2 封装

面向对象有三大特性：封装、继承、多态。在当前阶段，我们只学习封装的特性。

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。

  1. 什么是封装呢？

用专业一点的话来回答就是：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。

五、类的作用域

类定义了一个新的作用域，类似于命名空间域，影响的是搜索规则（优先局部域去找，然后类域去找，最后全局域去找）顺带解决命名冲突的问题，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。

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;
}

六、类的实例化

用类创建对象的过程，称为类的实例化。

class Date
{
 //只是声明
 int _day;
 int _month;
 int _year;
};
 
int main()
{
Date a; //定义，对象实例化
//Date：：_year++；//只是声明，没开空间
a._year++;
}
  • 上面实现的Date类占用多大的内存空间？

答案是，不占用空间。因为定义类只是一个描述对象的过程。

类实例化出对象就像现实中使用设计图建造出房子，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，而实例化出的对象才是真正盖好的房子，能实际存储数据，占用物理空间。

像设计图一样，并不是一幅设计图只能盖一个房子，一个类也可以实例化出多个对象。

  • 类里面的只是声明，没有开空间所以直接访问不了；实例化才是定义，才开辟空间可以访问
  • 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

七、类对象模型

7.1  类对象的存储方式

类对象的存储方式：对象中只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。

C++中，类与结构体本质是相同的。为了兼容C语言，C++肯定不能改变结构体大小的计算规则，而类与结构体相同（除默认访问限定符不同），那么类当然也是运用与结构体相同的计算规则。

对象中定义的成员函数不会占用空间吗？
答案是并不占用，因为成员函数在公共代码段。

简单写个程序验证一下：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
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;
}

有结果可知：仅有成员函数的类与空的类大小是相同的，那么说明成员函数不会占用空间。

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。

7.2 结构体内存对齐规则

  • 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。

八、类成员函数的this指针

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(2024,2，1);
 d2.Init(2022,2，7);
 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。

8.1 this指针的特性

this指针有以下特性：

  • this指针的类型：类的类型* const，即成员函数中，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；
  • 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。

那么存在这样一个问题？

  • this指针存在哪里？

A.堆    B. 栈    C. 静态区    D.常量区     E. 对象里面

解析：

malloc动态开辟才会在堆；static和全局变量才在静态区；指针本身的地址是在常量区，但是指向参数/变量的内容不在； 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；函数调用会建立栈桢，调用结束栈桢销毁，形参和局部变量会存在栈里面，也可能存在寄存器里

答案：B

  • 下面运行结果如何？
// 1.下面程序编译运行结果是？ 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();//（*p).Print();
 return 0;
}
 
// 2.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{ 
public:
    void PrintA() 
   {
        cout<<_a<<endl;
   }
private:
 int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}

1. 答案：运行成功

P作为实参传递给this指针，传递一个this指针（这里是空指针）不会报错，因为没有对空指针（this）解引用（访问）（编译器会自己判断是否有必要去解引用：成员函数不在对象里面存储，没有解引用（访问）），成员函数没有存到对象里面，而是在公共代码区，指针拿着Print（）去公共代码区找--->去call函数地址--->编译成功--->不报错

2. 答案：运行崩溃

会报错，因为成员变量存在对象里面，解引用之后会找到p指向的内容的地址，但是p是空指针，找不到地址--->运行崩溃

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