C++第三弹 -- 类与对象(上)

前言
一. 面向过程和面向对象的初步认识
二. 类的引入
三. 类的定义
- 1.定义
- 2. 命名规则建议
四. 类的访问限定符以及封装
- 1. 访问限定符
- 2.面试题
- 3. 封装
五. 类的作用域
六. 类的实例化
七. 类的对象大小的计算
八. 类成员函数this指针
- 1. this指针的引出
- 2. this指针的特性
- 3. C语言和C++Stack的对比
总结:

前言

类和对象是面向对象编程的核心概念之一。
类是一种抽象的数据类型，用来描述具有相同属性和行为的对象的集合。
对象是类的实例，具体表示某个具体的实体，它拥有类所描述的属性和行为。
本篇开始介绍C++中类和对象部分

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正文开始

一. 面向过程和面向对象的初步认识

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.

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.

在这里插入图片描述

二. 类的引入

C语言结构体中只能定义变量, 在C++中, 结构体不仅可以定义变量, 也可以定义函数. 比如: 之前在数据结构初阶中, 用C语言方式实现的栈, 结构体中只能定义变量, 现在C++方式实现, 会发现struct中也可以定义函数

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;

typedef int DataType;
struct Stack
{
	void Init(size_t capacity) { //这里也不需要传递Stack
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	void push(const DataType& data)
	{
		_array[_size] = data;
		++_size;
	}

	DataType Top()
	{
		assert(_size > 0);
		return _array[_size - 1];
	}

	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}

	DataType* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

上面结构体的定义, 在C++中更喜欢用class来替代

三. 类的定义

1.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。

注意 : 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::

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2. 命名规则建议

// 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;
	}
private:
	int year;
};

这样写赋值会失败, 编译器报错,下面正确写法:

class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		_year = year;
	}
private:
	int _year;
};
// 或者这样
class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		mYear = year;
	}
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。

四. 类的访问限定符以及封装

1. 访问限定符

在这里插入图片描述

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(访问限定符)

访问限定符说明:

public修饰的成员在类外可以直接使用
protected和private修饰的成员在类外不能直接访问(此处protected和private是类似的)
访问权限作用域从该访问限定符出现的位置开始知道下一个访问限定符出现为止
如果后面没有访问限定符, 作用域就到 } 即类结束
class的默认访问权限为private, struct为public(因为struct要兼容C)

注意: 访问限定符只有在编译时有用, 当数据映射到内存后, 没有任何访问限定符上的区别

2.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可以当作结构体使用. 另外C++中struct还可以用来定义类, 和class定义的类是一样的, 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: 在继承模板中参数列表位置, struct和class也有区别(后续讲解)

3. 封装

面试题:
面向对象的三大特征: 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的结合, 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, 让用户用起来方便使用类. 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.

在这里插入图片描述

对于计算的使用者而言, 不必关心内部核心部件, 比如主板上线路是如何布置的, 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, 让用户与计算机进行交互即可.

在C++语言实现封装, 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

类中所有成员都在类域中, 在类外定义成员时, 需要使用:: 作用域操作符指明成员属于哪个类域.

class Person
{
public:
	void PrintfPersonInfo();
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int _age;
};

void Person::PrintfPersonInfo()
{
	cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
}

这里需要指定类域.

六. 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他们, 比如: 入学时填写的学生信息表, 表格就可以看成一个类, 来描述具体的学生信息.
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,存储成员变量

int main()
{
	Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
	return 0;
}

无法访问, 因为不具备实际的空间, 只有实例化出的对象才有具体的年龄

实例化出的对象才能实际存储数据, 占用物理空间

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七. 类的对象大小的计算

问题: 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?

#pragma pack(1)//用来修改编译器默认对齐数

struct Stack
{
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int StackTop()
{
	//...
}

int main()
{
	Stack st;

	st._a[st._top];

	return 0;
}

int main()
{
	// 类 -> 对象   1->多
	// 对象的实例化
	// 对象的占用的大小，只考虑成员变量
	Stack st1;
	Stack st2;
	st1.Init();
	st2.Init();
	st1._top++;
	st2._top--;

	cout << sizeof(st1) << endl;
	cout << sizeof(Stack) << endl;

	return 0;
}

对于成员变量每个实例化的对象都存储一份, 而成员函数则存放在一块公共的代码区中
在这里插入图片描述

一个类的大小, 实际上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, 编译器给出了空类一个字节来唯一标识这个类的对象

类的对齐与结构体成员对齐规则一样

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。

【面试题】

结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？
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？
什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景

八. 类成员函数this指针

1. this指针的引出

class Data
{
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()
{
	Data d1, d2;
	d1.Init(2022, 1, 11);
	d2.Init(2022, 1, 12);

	d1.Print();
	d2.Print();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

对于上述类, 有这样一个问题:

Data类中有Init与Print 两个成员函数, 函数体中没有关于不同对象区分, 那当d1调用Init函数时, 该函数时如何知道应该设置d1的对象,而不是设置d2对象呢?

C++中通过引入this指针来解决改问题, 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(函数运行时调用函数的对象), 在函数中所有"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都是透明的, 即用户不需要来传递, 编译器自动完成

2. this指针的特性

this指针的类型: 类型为*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指针本质上时"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, 有时也存放在栈中.

在这里插入图片描述
面试题:

this指针存在哪里？
this指针可以为空吗？不可以

// 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;
}

首先排除A, 因为这里考察的点是是否对空指针进行解引用访问, 语法没有问题, 只能错误在运行阶段, 而Print()函数并没有存放在类中, 调用此函数, 并不会去类中查找, 所以这里不会进行解引用操作, 答案为C

// 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;
}

函数调用之后, 不会对其进行解引用操作, 但是调用函数之后, 执行这个函数, 函数内部需要访问_a, 此时就会对p进行解引用, 而导致访问空指针, 会发生运行崩溃, 答案选B

3. C语言和C++Stack的对比

//C
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 (ps->array == NULL)
	{
		assert(0);
		return;
	}
	ps->capacity = 3;
	ps->size = 0;
}

void stackDestory(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* tmp = (Datatype*)realloc(ps->array, newcapacity * sizeof(Datatype));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		ps->array = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
}

void StackPush(Stack* ps, Datatype x)
{
	assert(ps);
	CheckCapacity(ps);
	ps->array[ps->size] = x;
	ps->size++;
}

int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->size == 0;
}

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));
	stackDestory(&s);
}

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。

//C++

typedef int Datatype;
class Stack
{
public:
	void Init()
	{
		_array = (Datatype*)malloc(sizeof(Datatype) * 3);
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		_capacity = 3;
		_size = 0;
	}

	void push(Datatype data)
	{
		CheakCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}

	void Pop()
	{
		if (Empty())
		{
			return;
		}
		_size--;
	}

	Datatype Top()
	{
		assert(_size > 0);
		return _array[_size - 1];
	}

	int Empty()
	{
		return _size == 0;
	}
	
	int Size()
	{
		return _size;
	}

	void Destory()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}

private:
	void CheakCapacity()
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			int newcapacity = _capacity * 2;
			Datatype* tmp = (Datatype*)realloc(_array, newcapacity * sizeof(Datatype));
			if (tmp == nullptr)
			{
				perror("realloc fail");
				return;
			}
			_array = tmp;
			_capacity = newcapacity;
		}
	}

	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.Destory();
	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。

总结:

类和对象: 类是一种抽象的数据类型，描述具有相同属性和行为的对象集合。对象是类的实例，拥有类所描述的属性和行为。
面向过程 vs 面向对象: 面向过程关注的是解决问题的步骤，而面向对象关注的是对象，通过对象之间的交互来完成任务。
类的定义: 使用 class 关键字定义类，类体中包含成员变量和成员函数。
访问限定符: public、protected 和 private 用于控制成员的访问权限。
封装: 将数据和操作数据的方法结合在一起，隐藏对象的内部实现细节，仅对外公开接口。
类作用域: 类定义了一个新的作用域，类成员需要使用 :: 作用域操作符来访问。
类的实例化: 用类类型创建对象的过程称为类的实例化。
类对象大小: 类的大小由成员变量的大小决定，成员函数不占用对象空间。
**this 指针: **编译器为每个非静态成员函数添加了一个隐藏的指针参数，指向当前对象。
C++ 栈 vs C 栈: C++ 使用类来封装栈的数据和操作，更符合面向对象编程的思想，代码更简洁易懂。