C++：类与对象（一）

news2024/11/27 20:22:44

hello，各位小伙伴，本篇文章跟大家一起学习《C++：类与对象（一）》，感谢大家对我上一篇的支持，如有什么问题，还请多多指教 ！

文章目录

    • 面向对象和面向过程的区别
    • 1.类的引入
    • 2.类的定义
    • 3.类的访问限定符及封装
      • 3.1 访问限定符
      • 3.2 封装
    • 4.类的作用域
    • 5.类的实例化
    • 6.类对象模型
      • 6.1 如何计算类对象的大小
      • 6.2 类对象的存储方式猜测
      • 6.3 结构体内存对齐规则
    • 7.this指针
      • 7.1 this指针的引出
      • 7.2 this指针的特性

面向对象和面向过程的区别

C语言面向的是过程，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。
如：我们要完成洗衣服
在这里插入图片描述
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。
我们可以创建四个对象：人、衣服、洗衣粉、洗衣机。

步骤：人把衣服放进洗衣机里 --> 人把洗衣粉放进洗衣机里 --> 人启动洗衣机 --> 洗衣机把衣服洗好并且甩干。

整个洗衣服的过程由四个对象：人、衣服、洗衣粉、洗衣机交互完成，对于洗衣机如何把衣服洗好并且甩干，人无需关心。

1.类的引入

在C语言中，结构体里面只能定义变量，而在C++中结构体能够定义函数，将会大大方便程序员进行操作，如栈的创建，用C语言创建的结构体里只能定义变量，来看C++的代码：

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;
}

其中之一的优化：相比于C语言，并不需要复杂的传参(将Stack s的地址传到函数中)，直接在创建的栈里面定义函数。
上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

2.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是定义类的关键字，Classname是类的名字，{}里面的是类的主体，记得类定义结束，后面的分号不能省略

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。
class MyClass
{
public:
	int Add(int x, int y)
	{
		_sum = x + y;
		return x + y;
	}

private:
	int _sum;
};

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
在这里插入图片描述
一般情况下，更期望采用第二种方式。但是为了方便演示给小伙伴们，所以通常会用第一种，大家自己尽量用第二种方式来写。

成员变量命名规则的建议：
是否觉得下列代码写得很奇怪

class Test
{
public:
	void test1(int year)
	{
		year = year;//year到底是成员变量还是函数形参
	]
private:
	int year;
};

所以，为了区分，我们一般这样写：

class Test
{
public:
	void test1(int year)
	{
		_year = year;//year到底是成员变量还是函数形参
	]
private:
	int _year;
};

或者这样写：

class Test
{
public:
	void test1(int year)
	{
		myear = year;//year到底是成员变量还是函数形参
	]
private:
	int myear;
};
// 其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行。

3.类的访问限定符及封装

3.1 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)

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

那么问题来咯：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。

注意：在继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别，后序给大家介绍。

3.2 封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

在类和对象阶段，主要是研究类的封装特性，那什么是封装呢？

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。

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。

4.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 Date
{
public:
	Date()
	{
		_year = 1;
		_month = 1;
		_day = 1;
	}
	void Change(int year, int month, int day);

	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
//这里需要指定DateCheange是属于Data这个类域
void Date::Change(int year, int month, int day)
{
	_year = year;
	_month = month;
	_day = day;
}

int main()
{
	Date d1;
	d1.Print();
	d1.Change(2024, 4, 7);
	d1.Print();
	return 0;
}

5.类的实例化

用类类型创建对象的过程，称作类的实例化

  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；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。
  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()
{
	Date.DatePrint();//编译失败，是错误的
	return 0;
}

Date类是没有空间的，只有Date类实例化出的对象才有具体的日期。

  1. 做个比方。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，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，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

6.类对象模型

6.1 如何计算类对象的大小

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

类中既有成员变量，又有成员函数，那该怎么计算类对象的大小？

6.2 类对象的存储方式猜测

  • 对象中包含类的各个成员
    在这里插入图片描述
    但是这么设计有缺陷：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代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？
  • 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
    在这里插入图片描述
  • 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段在这里插入图片描述
    对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？
//有成员函数，也有成员变量
class A1
{
public:
	int f()
	{}
private:
	int _a;
};
//只有成员函数
class A2
{
public:
	int f()
	{}
};
//空类
class A3
{

};
int main()
{
	cout << sizeof(A1) << " " << sizeof(A2) << " " << sizeof(A3) << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
所以，计算机是按照第三种方式来存储的

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。

6.3 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。

7.this指针

7.1 this指针的引出

class Date
{
public:
	void Init()
	{
		_year = 1;
		_month = 1;
		_day = 1;
	}
	void Change(int year, int month, int day);

	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

void Date::Change(int year, int month, int day)
{
	_year = year;
	_month = month;
	_day = day;
}

int main()
{
	Date d1,d2;
	d1.Init();
	d2.Init();

	d1.Change(2024, 4, 7);
	d2.Change(2024, 4, 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。

7.2 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。
  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
那么，问题来咯：

  1. this指针存在哪里？
  2. this指针可以为空吗？

解答问题1：
this 指针是一个隐式的指针，在 C++ 类的非静态成员函数中自动提供。

解答问题2：
先来看下述代码：
代码1：

// 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();
 return 0;
}

代码2：

// 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 PrintA() 
   {
        cout<<_a<<endl;
   }
private:
 int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}

代码1是运行正常的，代码2是运行崩溃

在代码2程序中，p 是一个指向类 A 的指针，初始值为 nullptr，即空指针。

当你尝试通过空指针调用成员函数 PrintA() 时，会导致未定义的行为。这是因为空指针没有有效的对象实例来访问成员变量 _a，并且在访问成员函数时也无法确定要调用的实现。

因此，这段代码会在运行时崩溃（选项 B）或产生未定义的行为。

代码1并没有对成员变量进行访问，也就是说this是空指针，但是我不对该指针进行解引用或访问，所以才会运行正常。

对于代码1的情况：

在某些情况下，即使在使用空指针时也可能表现出“正常运行”的行为。这种行为是不确定的，并且依赖于编译器、操作系统和运行时环境等因素。

在某些情况下，当空指针被用于调用非虚函数时，可能会出现编译器没有检测到空指针的情况，并且程序在运行时也没有崩溃。这可能会导致误解，认为程序“正常运行”了。但需要明确的是，这并不是 C++ 的标准行为，而是未定义的行为，因此不能保证在所有情况下都能够“正常运行”。

即使代码在某些编译器和环境下能够“正常运行”，但这并不意味着它是正确的做法或者是可靠的代码。在实际开发中，应该避免依赖于未定义的行为，并且始终确保代码在所有情况下都能够正确、可预测地运行。因此，即使这段代码可能在某些情况下“正常运行”，但最好还是避免在空指针上调用成员函数，以避免潜在的问题。

好啦，这篇文章就到此结束了
所以你学会了吗？

好啦，本章对于《C++：类与对象（一）》的学习就先到这里，如果有什么问题，还请指教指教，希望本篇文章能够对你有所帮助，我们下一篇见！！！

如你喜欢，点点赞就是对我的支持，感谢感谢！！！
在这里插入图片描述

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