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专栏导读

🍁作者简介：余悸，在读本科生一枚，致力于 C++ 方向学习。
🍁收录于 C++专栏，本专栏主要内容为 C++ 初阶、C++ 进阶、STL 详解等，持续更新中！
🍁相关专栏推荐： C 语言初阶、C语言进阶、数据结构与算法（ C 语言描述）、C++、Linux、Mysql

从本文开始进入C++类和对象的介绍，这篇文章主要介绍类和对象，对面向过程和面向对象有一个初步认识，了解类的概念以及类的定义和访问限定符及封装。同时，还介绍了类的作用域和实例化，以及如何计算类的对象大小。另外，还重点介绍了类成员函数的this指针，解释了this指针的特性和用法。

文章目录

进入面向对象 - 类和对象的初步认识
- 面向过程和面向对象初步认识
- 类的引入
- 类的定义
- 类的访问限定符及封装
- - 访问限定符
  - 封装
- 类的作用域
- 类的实例化
- 类的对象大小的计算
- 类成员函数的this指针
- - 引入this指针
  - this指针的特性
  - this 指针相关面试题：
  - C 语言和 C++ 实现 Stack 的对比

进入面向对象 - 类和对象的初步认识

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。
比如一个外卖系统：
面向过程：下单、接单、送餐三个过程
面向对象：客户、商家、骑手，关注的是三个类对象之间的关系

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：数据结构中，用C语言实现的栈，结构体中只能定义变量； C++ 方式实现，会发现 struct 中也可以定义函数(成员函数)。
C语言实现

// Stack.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
 
typedef int STDataType; 
 
//#define N 10
//typedef struct Stack
//{
//	   STDataType _a[N]; 
//	   int _top; // 栈顶
//}Stack;
 
// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top;    // 栈顶
	int _capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps); 
// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data); 
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps); 
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps); 
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps); 
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

// Stack.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "Stack.h"
 
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);//断言传入地址是否为空
	ps->_a = NULL;
	ps->_capacity = ps->_top = 0;
}
 
// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_top == ps->_capacity)
	{
		int newCapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : ps->_capacity*2;//判断容量是否为空并设置增加容量数量
 
		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newCapacity*sizeof(STDataType));//增加容量
		if (temp == NULL)//判断地址是否开辟成功
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->_a = temp;//赋址与结构体中
		ps->_capacity = newCapacity;//更新容量
	}
	ps->_a[ps->_top] = data;//数据入栈
	ps->_top++;//栈顶++
}
 
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//断言栈是否为空
	--ps->_top;//栈顶--
}
 
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
 
	return ps->_a[ps->_top-1];
}
 
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
 
	return ps->_top;
}
 
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top==0;
}
 
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->_a);//清除数组地址
	ps->_a = NULL;
	ps->_top = ps->_capacity = 0;
}

C++实现

typedef int DataType;
 
struct Stack
 {
	 void Init(size_t capacity)
	 {
 		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
		 if (nullptr == _array)
		 {
		 perror("malloc fail");
		 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;
}

C++中更喜欢使用 class

类的定义

定义格式：

class Name
{
	//类体:由成员函数和成员变量组成
	//注意后面的分号
};

class为定义类的关键字，Name为类的名字，{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号。类中的元素称为类的成员，类中的数据称为类的属性或者成员变量，类中的函数称为类的方法或者成员函数。
类有两种定义方式

声明和定义全部放在类体中，需要注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将(推荐)其当成内联函数处理。
声明放在.h文件中，类的定义放在.cpp文件中

C++
// 声明放在头文件中
class Data{
public:
	void ShowData();
private:
	int year;
	int  month;
	int day
}
// 定义放在类的实现文件Dara.cpp中
#include "Data.h"
void Dara::ShowData(){
	cout<<year<<"年"<<month<<"月"<<day<<"日"<<endl;
}

类的访问限定符及封装

访问限定符

访问限定符， public、protected、private
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。
public 修饰的成员在类外可以直接被访问, 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)。
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, 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。

Q：C++ 中 struct 和 class 的区别是什么？
A：C++ 需要兼容C语言，所以 C++ 中 struct 可以当成结构体去使用。另外 C++ 中 struct 还可以用来定义类。和 class 是定义类是一样的，区别是 struct 的成员默认访问方式是 public ， class 是的成员默认访问方式是 private 。

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(高内聚，低耦合)，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。

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，需要使用 :: 作用域解析符指明成员属于哪个类域。

class Person
{
public:
	void Print();
private:
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int _age;
};
// 这里需要指定Print是属于Person这个类域
void Person::Print()
{
	cout << _name << " "<<_gender << " " << _age << endl;
}

类的实例化

用类类型创建对象（分配内存空间）的过程，称为类的实例化。
类只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。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。就好比类就是房子设计图纸，而实例化对象就是房子。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。
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类的对象大小的计算

Q：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？
A：如果类对象包含类的各个成员，因为每个对象是不一样的，当调用同一份函数，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。所以标准规定对象只保存成员变量，成员函数存放在公共代码段
在这里插入图片描述结构体内存对齐规则:

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。

内存对齐是为了优化内存访问，计算机内存是按字节为单位来管理的，如果结构体中的成员变量排列不合理，将会导致内存的浪费和访问速度的下降。因此，结构体内存对齐可以提高程序的性能，减少内存的浪费，是一种优化内存访问的有效方法。但是内存对齐浪费了一定的空间。所以内存对齐是一种空间换时间的方法。

结论：一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和，当然也要进行内存对齐，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。给空类一个 byte 不是为了存储数据，是占位，表示对象存在过

类成员函数的this指针

引入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 a;
};
int main()
{
	 Date d1, d2;
	 d1.Init(2022,1,11);
	  d2.Init(2022, 1, 12);
	 d1.Print();
	 d2.Print();
	 return 0;
}

Q：对于这个日期类，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？
A：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

this 指针的类型：类类型 * const(Date* const this) ，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。
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

this 指针相关面试题：

Q: this 指针存在哪里？

A:其实编译器在生成程序时加入了获取对象首地址的相关代码。编译器有并把获取的首地址存放在了寄存器ECX 中( VC++ 编译器是放在 ECX 中，其它可能不同)。也就是成员函数的其它参数正常都是存放在栈中。而this指针参数则是存放在寄存器中。类的静态成员函数因为没有 this 指针这个参数，所以类的静态成员函数也就无法调用类的非静态成员变量。

Q:this 指针可以为空吗？

A: this 可以为空，当我们在调用函数的时候，如果函数内部并不需要使用到 this ,也就是不需要通过 this 指向当前对象并对其进行操作时才可以为空(当我们在其中什么都不放或者在里面随便打印一个字符串)，如果调用的函数需要指向当前对象，并进行操作，则会发生错误（空指针引用）就跟 C 中一样不能进行空指针的引用。

3.下面程序编译运行结果是？

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "Print()" << endl;
	}
 
private:
	int _a;
};
 
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

正常运行： p 不发生解引用，因为成员函数的地址不存在对象中，在公共代码区域。这里 p 为空指针传入 print 中，然后 this 接受 print 地址直接输入。

C 语言和 C++ 实现 Stack 的对比

C 语言实现

#include <iostream>
#include <assert.h>
 
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;
}

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 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++ 实现

#include <iostream>
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，更符合我们对一件事物的认知。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。

本节结束，希望可以帮助到读者，如果对你有帮助请关注、点赞、评论支持一下。

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