C++初阶之类和对象（上）

news2024/12/26 14:10:02

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类和对象（上）

  • 1、面向过程和面向对象初步认识
  • 2、类的引入
  • 3、类的定义
  • 4、类的访问限定符及封装
    • 4.1 访问限定符
    • 4.2 封装
  • 5、类的作用域
  • 6、类的实例化
  • 7、类对象模型
    • 7.1 如何计算类对象的大小
  • 8.this指针
    • 8.1 this指针的引出
    • 8.2 this指针的特性
    • 8.3. C语言和C++实现Stack的对比

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。

过程式程序设计（英语：Procedural programming），又称过程化编程，一种编程典范，派生自指令式编程，有时会被视为是同义语。主要要采取过程调用或函数调用的方式来进行流程控制。流程则由包涵一系列运算步骤的过程（Procedures），例程（routines），子程序（subroutines）, 方法（methods），或函数（functions）来控制。在程序执行的任何一个时间点，都可以调用某个特定的程序。任何一个特定的程序，也能被任意一个程序或是它自己本身调用。

最初的主要过程式编程语言出现在大约1957年至1964年，包括Fortran、ALGOL、COBOL、PL/I和BASIC，后来的Pascal和C发表于大约1970年至1972年。

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。

面向对象程序设计（英语：Object-oriented programming，缩写：OOP）是种具有物件概念的编程典范，同时也是一种程序开发的抽象方针。它可能包含数据、特性、代码与方法。对象则指的是类（class）的实例。它将对象作为程序的基本单元，将程序和数据封装其中，以提高软件的重用性、灵活性和扩展性，物件里的程序可以访问及经常修改物件相关连的数据。在面向对象程序编程里，计算机程序会被设计成彼此相关的物件。

面向对象程序设计可以看作一种在程序中包含各种独立而又互相调用的对象的思想，这与传统的思想刚好相反：传统的程序设计主张将程序看作一系列函数的集合，或者直接就是一系列对电脑下达的指令。面向对象程序设计中的每一个对象都应该能够接受数据、处理数据并将数据传达给其它对象，因此它们都可以被看作一个小型的“机器”，即对象。目前已经被证实的是，面向对象程序设计推广了程序的灵活性和可维护性，并且在大型项目设计中广为应用。此外，支持者声称面向对象程序设计要比以往的做法更加便于学习，因为它能够让人们更简单地设计并维护程序，使得程序更加便于分析、设计、理解。反对者在某些领域对此予以否认。

当我们提到面向对象的时候，它不仅指一种程序设计方法。它更多意义上是一种程序开发方式。在这一方面，我们必须了解更多关于面向对象系统分析和面向对象设计（Object Oriented Design，简称OOD）方面的知识。许多流行的编程语言是面向对象的，它们的风格就是会透由物件来创出实例。

重要的面向对象编程语言包含Common Lisp、Python、C++、Objective-C、Smalltalk、Delphi、Java、Swift、C#、Perl、Ruby、JavaScript 与 PHP等。

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;
		}
	}
	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;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

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。
class Person
{
public:
	void showInfo()
	{
		cout << _name << "_" << _sex << "_" << _age << endl;
	}
public:
	char* _name;
	char* _sex;
	int   _age;
};
  1. 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::
    person.h
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
	void showInfo();
public:
	char* _name;
	char* _sex;
	int   _age;
};

person.cpp

#include"person.h"
void Person::showInfo()
{
	cout << _name << "_" << _sex << "_" << _age << endl;
}

一般情况下，建议采用第二种方式。
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;
};

// 所以一般都建议这样
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;
};

//其他的命名方式也可以，主要是为了区分。

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。请添加图片描述
【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

【C++中struct和class的区别是什么】

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？

在面向对象编程方法中，封装（英语：Encapsulation）是指，一种将抽象性函数接口的实现细节部分包装、隐藏起来的方法。同时，它也是一种防止外界调用端，去存取物件内部实现细节的手段，这个手段是由编程语言本身来提供的。封装被视为是面向对象的四项原则之一。

适当的封装，可以将物件使用接口的程序实现部分隐藏起来，不让用户看到，同时确保用户无法任意更改物件内部的重要资料，若想接触资料只能通过公开接入方法（Publicly accessible methods）的方式（ 如：“getters” 和"setters"）。它可以让代码更容易理解与维护，也加强了代码的安全性。

封装本质上是一种管理，让用户更方便使用类。

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。

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。
  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。

  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。
void Test()
{
	Person man;
	man._name = "Mike";
	man._age = 10;
	man._sex = "man";
	man.showInfo();
}

7、类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

我们先看结构体内存对齐规则

  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。

我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

// 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()
{
	printf("%d %d %d", sizeof(A1), sizeof(A2), sizeof(A3));
	return 0;
}

在这里插入图片描述
结论：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。

8.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;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year; 
	int _month; 
	int _day; 
};
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。

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

8.3. C语言和C++实现Stack的对比

  1. 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*
②函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL
③函数中都是通过Stack*参数操作栈的
④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。

  1. C++实现
#include<iostream>
using namespace std;
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。
在这里插入图片描述

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