第二节—类与对象(上)

news2024/9/29 5:19:09

1.面向过程和面向对象初步认识

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。

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

2.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。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；现在以C++方式实现，会发现struct中也可以定义函数:

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;
}}

int main()
{
Stack s; s.Init(10); s.Push(1); s.Push(2); s.Push(3);
cout << s.Top() << endl;
s.Destroy(); return 0;
}

3.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。

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::

4.类的访问限定符及封装

4.1 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

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。

5.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;}

6.类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

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。

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。谜语："年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈" 谜底：山羊😊

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;
}

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。

3. 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

5. 内存对齐

内存对齐是计算机系统中用于优化数据访问的机制。在C++中，类的成员变量在内存中的存放位置要遵循特定的对齐规则，以提高CPU的访问效率。

这部分内容在C语言结构体详细介绍过，详情请见【C语言篇】结构体和位段详细介绍

5.1 内存对齐规则

内存对齐规则规定：

1.第一个成员存储在偏移量为0的地址处。

2.其他成员必须存储在某个对齐数的整数倍的地址处。

3.对齐数取决于编译器的设置和变量的类型，通常为4字节或8字节。

5.2 示例代码

#include<iostream>
using namespace std;

class A {
private:
char _ch; // 1 字节
int _i; // 4 字节
};

int main() {
A a;
cout << "对象 A 的大小: " << sizeof(a) << " 字节" << endl; // 输出对象大小
return 0;
}

解释
尽管 A 类中的 _ch 和 _i 变量加起来只有 5 字节，但由于内存对齐规则，类的实际大小为 8 字节。这是因为 int 变量 _i 要求4字节对齐，而 char 只占1字节，因此在 char 后面会插入3个字节的填充空间，以便 int 对齐到4字节边界。

拓展解释：为什么需要内存对齐？
内存对齐的意义：内存对齐的目的是为了优化CPU的读取速度。在现代计算机架构中，处理器一次性读取的内存块大小通常为4字节或8字节。如果数据存储在不对齐的地址上，处理器需要执行更多的操作来读取数据，从而影响性能。因此，通过对齐存储，处理器可以更快速地读取和写入数据。

内存对齐和空间浪费：虽然内存对齐提高了数据访问的效率，但也可能会造成空间浪费。例如，在上例中，char 类型只需要1字节，但为了对齐 int，额外浪费了3个字节的填充空间。这种权衡在性能优化和内存空间利用之间找到了平衡。

5.3 内存对齐的影响

内存对齐会影响类的实际大小。例如，以下代码展示了不同对齐方式下对象的大小变化：

#include<iostream>
#pragma pack(1) // 设置内存对齐为1字节
using namespace std;

class B {
public:
char _ch; // 1字节
int _i; // 4字节
};

int main() {
B b;
cout << "对象 B 的大小: " << sizeof(b) << " 字节" << endl; // 输出对象 B 的大小为 5 字节
return 0;
}
#pragma pack() // 恢复默认对齐

解释
通过使用 #pragma pack(1) 指令，我们将类 B 的内存对齐设置为 1 字节对齐。这样，char 类型占用 1 字节，int 类型占用 4 字节，总共5字节，没有插入额外的填充字节。

6.this指针

6.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

// 类中仅有成员函数

class A2 {

public:

void f2() {}

};

// 类中什么都没有---空类

class A3

{};

class Date

{ public:

void Init(int year, int month, int day)

{

_year = year; _month = month; _day = day;

}

void Print()

{

cout <<_year<< "-" <<_month << "-"<< _day <<endl;

}