我与C++的爱恋：类与对象（一）

news2024/12/23 10:44:27

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​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。

一、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。
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;
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;
}
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
1.数据和操作数据的方式是分离开的。
2.数据访问控制是自由的不受控制的。

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();
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。
1.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1访问权限可以控制那些方法在类外可以被调用，即封装。
2.控制访问方式愿意给你访问的为公有，不愿意给你访问的为私有。
在C++中更喜欢用class来代替

二、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。
    在这里插入图片描述

  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::
    在这里插入图片描述
    在我们日常使用时尽量使用第二种。
    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;//形参一般建议  _year  mYear  year_
}
private:
int year;
};

三、类的访问限定符及封装

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。
在这里插入图片描述
【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)
    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
class Date {
public:
	void Init(int year, int month, int day) {
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d;
	d.Init(2024, 4, 4);
	return 0;
}

2.封装

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。

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。（想让你看到的就是public，不想让你看到的就是 private）。

四、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。

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;
}

五、类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化-----开空间 （一个类可以有多个实例化对象，类就相当于一个图纸，可以用这个图纸建造很多个楼）。

  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；
  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;
}

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，只有实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间。
在这里插入图片描述
红色箭头的这一步就完成了类的实例化。

六、类对象模型

1.如何计算类对象的大小

只需计算类成员变量的大小，无需计算类成员函数的大小（类成员函数在公共代码区）

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

类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？
在这里插入图片描述

// 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() {}//大小为1，不存储有效数据，占位，标识对象被实例化定义出来了。
};
// 类中什么都没有---空类
class A3
{};//大小为1，不存储有效数据，占位，标识对象被实例化定义出来了。

sizeof(A1) : 4 sizeof(A2) : 1__ sizeof(A3) : 1__
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。
再来回顾一下之前C语言中的内存对齐

  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。

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？
#prama pack()

七、this指针的引出和特性

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;
}

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。
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。（this指针不能修改）
  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
    在这里插入图片描述

this指针存在 栈中和ecx寄存器中，（栈中存放形参和局部变量）（this指针是形参）
this指针可以为空

// 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//C
class A
{
public:
void Print()
{
cout << "Print()" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = nullptr;
p->Print();//正常运行因为没有访问任何对象的成员变量，这里不需要访问通过this指针指示的内存地址。
return 0;
}
// 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//B
class A
{
public:
void PrintA()
{
cout<<_a<<endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = nullptr;
p->PrintA();//这里发生了报错，因为这里访问a是通过this->a来实现的
return 0;
}

感谢大家阅读，后续给大家带来构造函数和析构函数有关内容。

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