【C++】类和对象入门必知

news2024/11/28 20:37:33

  • 面向过程和面向对象的初步认识
  • 类的引入
  • 类的定义
  • 类的访问限定符
  • 封装
  • 类的作用域
  • 类的实例化
  • 类对象模型
  • this指针
  • C语言和C++实现Stack的对比

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。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。

例如五子棋，面向过程的设计思路就是首先分析问题的步骤：1、开始游戏，2、黑子先走，3、绘制画面，4、判断输赢，5、轮到白子，6、绘制画面，7、判断输赢，8、返回步骤2，9、输出最后结果。把上面每个步骤用分别的函数来实现，问题就解决了。
而面向对象的设计则是从另外的思路来解决问题。整个五子棋可以分为 1、黑白双方，这两方的行为是一模一样的，2、棋盘系统，负责绘制画面，3、规则系统，负责判定诸如犯规、输赢等。第一类对象（玩家对象）负责接受用户输入，并告知第二类对象（棋盘对象）棋子布局的变化，棋盘对象接收到了棋子的变化就要负责在屏幕上面显示出这种变化，同时利用第三类对象（规则系统）来对棋局进行判定。可以明显地看出，面向对象是以功能来划分问题，而不是步骤。

所以面向对象要比面向过程更方便操作，更不容易出差错。

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：用C语言方式实现的栈 （使用顺序表的结构），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。（C++是从C语言发展来的，它是需要兼容C语言的）

typedef int DataType;
struct Stack
{
	//初始化
 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;
 }
 
 //入栈
 void Push(const DataType& data)
 {
  // 此处省去了检查是否需要扩容的代码
  _array[_size] = data;
  ++_size;
 }
 
 //出栈
 DataType Top()
 {
  return _array[_size - 1];
 }

	//销毁
 void Destroy()
 {
  if (_array)
  {
  free(_array);
  _array = nullptr;
  _capacity = 0;
  _size = 0;
  }
 }
 
  DataType* _array;
  size_t _capacity;
  size_t _size;
  
};

但上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

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:: （表明该函数是属于哪个类的）。

在这里插入图片描述
一般情况下，更期望采用第二种方式。

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;
 }
private:
 int year;
};

// 所以我们可以在类成员变量名前加上_来进行区分，当然具体加啥可以根据需要来定。
class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 _year = year;
 }
private:
 int _year;
};

类的访问限定符

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）

封装

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。不过我们并不用去管，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。

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;
}

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。
  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。（一个定义好的类本身是没有开辟存储空间的，仅仅是对类中的成员变量和成员函数进行了声明，只有类实例化出的对象才有具体的存储空间）。

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

类对象模型

类对象的存储方式：
类实例化创建对象后，会为对象开辟空间，每个对象的空间里存放了成员变量，但成员函数并没有放到对象里，成员函数是存放在公共的代码段，要用的时候拿来用就行。不然每个对象里都存放类成员函数太浪费空间。
在这里插入图片描述所以一个类的大小，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。

结构体内存对齐规则（类的对象也遵守同样的内存对齐规则）

  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。

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(2022,1,11);
 d2.Init(2022, 1, 12);
 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。

this指针的特性：

  1. this指针的类型：有些处理成类类型*（也有些处理成类类型* 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我们平常用类成员函数去对类成员变量进行操作时并不会将this写出来，*this就是指某个对象，需要时可以使用this。

C语言和C++实现Stack的对比

C语言实现：

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：
1.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
2.函数中都是通过Stack参数操作栈的
3.调用时必须传递Stack结构体变量的地址
4.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++实现：

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。

通过上面知识的学习，对类就会有一个初步的认识了，但还有很多重要的知识需要进一步探讨，从而进一步了解类和对象。

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