【C++类和对象】类和对象（上）{初识面向对象，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}

news2024/10/5 17:18:41

一、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。

C++不是纯面向对象的语言，可以面向对象和面向过程混编（为了兼容C语言）。

二、类的引入

  1. C语言结构体中只能定义变量

  2. C++兼容C语言struct的用法，并将struct升级成了类。

  3. 在C++中，结构体内不仅可以定义成员变量，也可以定义成员函数。

  4. 这样既能定义变量又能定义函数的结构就叫做类。

C++的类名（结构体名）可以直接作为类型使用。

  • 举个栗子：

​ 在数据结构中，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
{
	//成员函数
    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;
	}
	void DataType Top()
	{
		return _array[_size - 1];
	}
	void Destroy()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
    //成员变量
	DataType* _array;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};
int main()
{
	//struct Stack s;
    Stack s; //类名可以直接作为类型使用
	s.Init(10);
	s.Push(1);
	s.Push(2);
	s.Push(3);
	cout << s.Top() << endl;
	s.Destroy();
	return 0;
}

提示： 上面类的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

三、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。

3.1 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，编译器会自动将符合内联条件的函数当成内联函数处理。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  1. 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数定义时，函数名前需要加类域（类名::）

在这里插入图片描述

建议：

  1. 小函数想内联，直接在类声明里面定义即可（.h文件）。
  2. 如果是大函数，应该声明和定义分离。

3.2 成员变量命名规则的建议

成员变量名要与成员函数的形参名区分开来，一般都是加个前缀或者后缀表示区分即可。

// 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;
};

// 所以一般都建议这样，前后加_
class Date
{
public:
	void Init(int year)
	{
		_year = year;
	}
private:
	int _year;
};

// 或者这样，加m或m_
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表示区分即可。

命名规则：采用驼峰法命名

  1. 函数名、类名等所有单词首字母大写，如 DateMgr；
  2. 变量首字母小写，后面单词首字母大写，如 dateMgr；
  3. 成员变量，首字母前加_，如 _dateMgr；

四、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。

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（也能在类里面访问）

    2. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问（只能在类里面访问）(此处protected和private是类似的，后面讲到继承后才会有区别)

    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)

    6. 在类里面只要是同类型的对象都不受访问限定符的限制，包括成员函数的调用对象和参数对象。

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

  • 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。

4.2 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。

C语言：没办法进行封装，可以规范的使用函数访问数据，也可以直接访问数据。 —不规范，不安全

C++：可以进行封装，必须规范的使用成员函数访问数据，不能直接访问数据。—规范，安全

五、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。在成员函数的定义中，可以直接操作类中的成员变量或是调用同类域的成员函数。

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;
}

作用域决定变量的搜索规则，变量存储的位置决定其生命周期。

六、类的实例化

用类创建对象的过程，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，声明了类中有哪些成员，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，用于存储类成员变量。

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。

  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
    在这里插入图片描述

七、类对象模型

7.1 如何计算类的大小？

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呢?

我们做以下测试：

#include <iostream>                                                                                                                               
using namespace std;    
    
// 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() {}    
};    
    
// 类中什么都没有---空类    
class A3    
{};    
    
int main(){    
  cout << "sizeof A1:" << sizeof(A1) <<endl;    
  cout << "sizeof A2:" << sizeof(A2) <<endl;    
  cout << "sizeof A3:" << sizeof(A3) <<endl;    
  return 0;    
}

测试结果：

在这里插入图片描述

结论：

  1. 一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”大小之和，当然要注意内存对齐。
  2. 注意空类（没有成员变量的类）的大小，空类比较特殊，编译器给了空类1byte来唯一标识这个类的对象。(只占位，不存储实际数据)

唯一标识类的对象：即使是空类实例化出的两个对象，其地址也是不同的。而C语言中的空结构体定义出的结构体变量(0 byte)，地址相同，不能唯一标识。

7.2 类的实际存储方式

在这里插入图片描述

  • 实例化出的每个对象的成员变量是不同的变量，应该拥有各自独立的空间。
  • 但是每个对象调用的成员函数是同一个，没必要在每个对象中都保存一份代码，浪费空间。
  • 因此类的存储只保存成员变量，成员函数则存放在公共代码段。
  • 在编译链接时会根据函数名去公共代码区找到成员函数的地址。运行时直接根据地址调用函数。

成员函数的定义（或调用）前为什么还要加类域（或对象）呢？

  • 确定函数的地址：成员函数的函数名前要加类名才算完整（符号表中的函数名前要加类名），编译器通过符号表中的函数名进行链接，确定函数的地址。
  • 防止命名污染：不同的类域中可以定义同名的成员函数。
  • 传递this指针：类名指定了成员函数所属的类，通过隐式的传递类类型的this指针，成员函数可以操作对象中的其他成员变量，也可以调用同类域的其他成员函数。
  • 测试：以下代码能正常运行吗？
class A
{
	char _a;
public:
    void func()
    {
        cout << "void A::func()" << endl;
    }
}

int main()
{
    A* ptr = nullptr;
    ptr->func();
    return 0;
}

答案：能，此处的ptr->func();不会对空指针进行解引用。成员函数保存在公共代码区，在编译链接过程中就已经确定了成员函数的地址。运行时直接根据地址调用函数即可。

7.3 结构体内存对齐规则（复习）

【初级C语言】数据的存储（原反补，大小端，自动类型转换，内存对齐，整型浮点型数据的存储，整型数据的取值范围）

八、this指针

8.1 this指针的引出

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;
	}
  	//隐藏的指针参数this
    //void Init(Date *const this, int year, int month, int day)
	//{
	//	this->_year = year;
	//	this->_month = month;
	//	this->_day = day;
	//}
	void Print()
	{
		cout <<_year<< "-" <<_month << "-"<< _day <<endl;
	}
    //void Print(Date *const this)
	//{
	//	cout <<this->_year<< "-" <<this->_month << "-"<< this->_day <<endl;
	//}
    //注意：不能显示的写出this指针，这样的写法是不对的，这里只是为了展示。
private:
	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};

int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.Init(2022,1,11);
    //d1.Init(&d1,2022,1,11);
	d2.Init(2022, 1, 12);
	d1.Print();
    //d1.Print(&d1);
	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。

8.2 this指针的特性

  1. this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能修改this指针的指向。

  2. 只能在“成员函数”的内部使用

  3. 在实参和形参的位置不能显示的传递和接收this指针，但可以在成员函数内部使用this指针。

  4. 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。

  5. 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。

  6. this指针作为函数的参数，一般存储在栈上。但有部分编译器会对其进行优化，如在vs下，是通过ecx寄存器传递this指针的（读取速度更快）。

    在这里插入图片描述

测试：

// 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;
	}
    //void Print(A *const this)
	//{
	//	cout << "Print()" << endl;
	//}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
    //p->Print(nullptr);
	return 0;
}
  • 此处的p->Print();不会对空指针进行解引用，而是在编译链接过程中就已经确定了func函数的地址。运行时直接根据地址调用函数即可。
  • 调用成员函数时，会将对象的地址（此处是指针的值nullptr）作为实参隐式的传递给函数的形参this指针。
  • 而Print函数内并没有对this指针的解引用操作，故而程序能正常运行。
// 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;
	}
    //void PrintA(A *const this)
	//{
	//	cout<<this->_a<<endl; //解引用空指针，程序崩溃
	//}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->PrintA();
    //p->PrintA(nullptr);
	return 0;
}
  • PrintA函数内对this指针进行解引用操作，故而程序运行崩溃。

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