面向对象是一种更高级的编程方式

一、面向过程和面向对象初步认识

当谈论编程范式时，" 面向过程 " 和 “面向对象” 是两个重要的概念。

它们描述了编程的 不同方法和思维方式，以解决问题和构建应用程序。下面让我们详细了解一下这两种编程范式。

a. 面向过程编程

面向过程编程是一种以流程和步骤为中心的编程方式。它强调的是将问题分解成一系列的 步骤或过程，然后按照 严格的顺序 执行这些步骤来解决问题。在面向过程编程中，数据和函数（或过程）是分开的，函数操作数据并返回结果。

🗽主要特点：

1. 程序的执行流程： 面向过程编程关注程序的执行流程，按照顺序执行不同的步骤来完成任务。

2. 数据和函数分离： 数据和操作数据的函数是分开的，函数仅仅作为对数据的操作。

3. 可读性较差： 随着程序复杂度增加，面向过程编程可能会导致代码的可读性下降，因为各个步骤之间的关系不够清晰。

🗼适用场景： 面向过程编程 适用于简单的、线性的问题，如数据处理、算法等。

b. 面向对象编程

面向对象编程是 一种更具组织性和结构性的编程方式，强调将数据和对数据的操作封装为对象。在面向对象编程中，数据和函数（或方法）是紧密关联的，对象是数据和方法的一个实例。

🗽主要特点：

1. 对象与类： 面向对象编程基于对象和类的概念。类是对象的蓝图，定义了对象的属性（成员变量）和方法（成员函数）。

2. 封装： 封装是将数据和操作数据的函数封装在一起，隐藏了内部的细节。这提高了代码的安全性和可维护性。

3. 继承： 继承允许一个类继承另一个类的属性和方法。这促进了代码的重用和扩展。

4. 多态： 多态性允许不同的类共享相同的接口，但可以根据具体实现的不同表现出不同的行为。

5. 可读性较高： 面向对象编程使代码的结构和关系更加清晰，提高了代码的可读性和可维护性。

🗼适用场景： 面向对象编程 适用于大型、复杂的应用程序，能够更好地组织和管理代码。

例如：无人机送货系统

1、面向过程编程方式

在面向过程编程中， 关注程序的执行流程，将问题分解为一系列的步骤或过程，并按照顺序执行这些步骤来完成任务。

· 程序流程： 将送货任务分解为一系列步骤：启动无人机、导航、取货、交付、返回等。

函数： 编写一系列函数来执行每个步骤，如StartDrone()、NavigateToLocation()、PickupItem()、deliverItem()等。

全局变量： 使用全局变量来存储无人机的状态、目标位置等信息，这些变量在各个函数中共享。

可读性： 随着任务的复杂性增加，代码可能会变得难以维护和理解，因为不同步骤之间的关系可能不够清晰。

2、面向对象编程方式

在面向对象编程中，关注对象和类的概念，将问题中的实体和操作封装为对象和方法。

· 类和对象： 定义类如"Drone"、"DeliveryPoint"等，分别表示无人机和送货点，每个类具有属性和方法。

· 封装： 封装每个类的属性和操作，隐藏内部实现细节。例如，"Drone"类可能有start()、navigate()、pickup()、deliver()等方法。

· 继承： 如果系统需要支持多种类型的无人机，可以通过继承创建子类，实现共性和特性。

· 多态： 不同类型的无人机可以共享相同的接口，但根据实际类型执行不同的行为，提高灵活性。

· 可读性： 由于将功能和数据封装在对象内部，代码更加模块化，每个对象负责自己的操作，提高了可读性和可维护性。

二、类的引入

1、定义类的关键字

C++定义类的关键字： struct 和 class
C++ 兼容 C 中结构体的用法，同时 struct 在 C++ 中升级成了类

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，结构体中只能定义变量；现在以C++方式实现，我们就会发现struct中也可以定义函数

2、栈的手动实现

a. C语言实现栈

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

#define MAX_SIZE 100
//C语言结构体中只能定义变量
typedef struct 
{
    int data[MAX_SIZE];
    int top;
} Stack;

void initialize(Stack* stack) 
{
    stack->top = -1;
}

bool isEmpty(Stack* stack) 
{
    return stack->top == -1;
}

bool isFull(Stack* stack) 
{
    return stack->top == MAX_SIZE - 1;
}

void push(Stack* stack, int value) 
{
    if (isFull(stack)) 
    {
        printf("Stack is full. Cannot push.\n");
        return;
    }
    stack->data[++stack->top] = value;
}

int pop(Stack* stack)
{
    if (isEmpty(stack))
    {
        printf("Stack is empty. Cannot pop.\n");
        return -1;
        return stack->data[stack->top--];
    }
}

int peek(Stack* stack)
{
    if (isEmpty(stack))
    {
        printf("Stack is empty. Cannot peek.\n");
        return -1;
    }
    return stack->data[stack->top];
}

b. C++实现栈

#include <iostream>
template <typename T>

class MyStack 
{
private:
    T* data;
    int top;
    int capacity;

public:
    MyStack(int size) 
    {
        capacity = size;
        data = new T[capacity];
        top = -1;
    }

    ~MyStack() 
    {
        delete[] data;
    }

    void push(T value) 
    {
        if (top < capacity - 1) 
        {
            data[++top] = value;
        }
        else 
        {
            std::cout << "Stack is full. Cannot push." << std::endl;
        }
    }

    T pop() 
    {
        if (top >= 0) 
        {
            return data[top--];
        }
        else 
        {
            std::cout << "Stack is empty. Cannot pop." << std::endl;
            return T(); // 默认构造一个类型对象返回
        }
    }

    T peek() 
    {
        if (top >= 0) 
        {
            return data[top];
        }
        else 
        {
            std::cout << "Stack is empty. Cannot peek." << std::endl;
            return T(); // 默认构造一个类型对象返回
        }
    }

    bool isEmpty() 
    {
        return top == -1;
    }

    bool isFull() 
    {
        return top == capacity - 1;
    }
};

原来C中结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替struct。

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

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

#include <iostream>
class Person 
{
public:
    void introduce() 
    {
        std::cout << "My name is " << name << " and I am " << age << " years old." << std::endl;
    }
private:
    std::string name;
    int age;
};

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::

一般情况下，更期望采用第二种方式。

四、类的访问限定符

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

1. public访问限定符

public是最常见的访问限定符，它允许类的成员在类的外部被访问。这意味着无论在哪里，我们都可以直接访问类的公有成员。公有成员通常用于表示类的接口，即外部代码与类交互的方法。

class Person {
public:
    std::string name;

    void introduce() {
        std::cout << "My name is " << name << std::endl;
    }
};

2. private访问限定符

private访问限定符将类的成员隐藏在类的内部，外部代码无法直接访问私有成员。这种封装性**保护了类的实现细节，确保了数据的安全性和一致性。**私有成员通常用于存储类的内部状态。

class BankAccount {
private:
    double balance;

public:
    void deposit(double amount) {
        balance += amount;
    }

    double getBalance() {
        return balance;
    }
};

3. protected访问限定符

protected访问限定符介于public和private之间。类的派生类可以访问基类的受保护成员，但其他外部代码无法访问。这在实现继承和多态时很有用，允许派生类使用基类的实现细节~

class Shape {
protected:
    int sides;

public:
    Shape(int s) : sides(s) {}

    int getNumSides() {
        return sides;
    }
};

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 :: (作用域限定符) 指明成员属于哪个类域

类成员的访问

类的成员可以通过成员访问操作符（. 和->）进行访问。

在类的作用域内，可以直接访问任意成员，而在类的外部，只能访问公有成员。

私有和受保护成员需要通过公有成员函数来间接访问。

class MyClass {
public:
    int publicMember;

private:
    int privateMember;

protected:
    int protectedMember;
};

MyClass obj;
obj.publicMember = 10;  // 可以直接访问公有成员

// 无法直接访问私有成员和受保护成员
obj.privateMember;      // 编译错误
obj.protectedMember;    // 编译错误

命名空间的作用域与组织

命名空间是一种用来防止命名冲突和组织代码的机制。它允许将相关的变量、函数、类等放置在一个命名空间内，以防止全局命名冲突。命名空间还可以嵌套定义，形成层次结构。

namespace Math {
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

int main() 
{
    int result = Math::add(5, 3);  // 通过命名空间访问函数
    return 0;
}

类的作用域与命名空间的关系

类的作用域与命名空间的作用域存在一定的联系。

类的定义可以位于全局命名空间中，也可以位于其他命名空间内。

通过使用类的全名（包括命名空间前缀）可以在不同命名空间中访问类。

namespace MyNamespace {
    class MyClass {
    public:
        void foo() {}
    };
}

int main() 
{
    MyNamespace::MyClass obj;  // 在命名空间中访问类
    obj.foo();
    return 0;
}

六、类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

实例化

换句话说，类的实例化是通过创建对象来实现的。在C++中，对象是类的实例，它具有类定义的属性和方法。通过使用构造函数，我们可以在对象创建时初始化成员变量，确保对象的正确初始化。

class Person {
public:
    std::string name;

    Person(const std::string& n) : name(n) {
        std::cout << "Person " << name << " created." << std::endl;
    }
};

int main() 
{
    Person person1("Alice");  // 实例化对象
    Person person2("Bob");
    return 0;
}

类比 制造汽车

类的实例化可以类比为现实生活中的"模具制造物品"的过程。

让我们以制造汽车为例来解释这个比方：

在汽车制造过程中，设计师首先会设计一个汽车的模型，类比于编写一个类的定义。模型定义了汽车的特征、属性和功能，就像类定义了成员变量和成员函数。

然后，制造工厂会使用这个模型来制造实际的汽车。这个过程类似于在C++中创建一个对象。每个实际的汽车都是根据同一个模型制造的，但每辆汽车都是独立的个体，拥有自己的状态和特性。

汽车模型中的规格和属性，例如引擎类型、座位数量、颜色等，对应于类的成员变量。而汽车模型中定义的功能，例如启动引擎、加速、刹车等，对应于类的成员函数。

在汽车制造过程中，模型提供了标准和规范，确保每辆汽车都遵循相同的设计。类的实例化也提供了一种标准方式来创建对象，确保每个对象都有相同的结构和功能。

总的来说，类的实例化就像在现实中使用模具制造物品，模具定义了物品的外观和特征，而每个制造出来的物品都是基于同一个模具创建的，类似于对象都是基于同一个类实例化出来的。

七、类的对象大小的计算

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。

在C++中，类的对象大小是由其成员变量和继承关系所决定的。计算类的对象大小涉及到内存对齐和填充等概念。

内存对齐

计算机在存储数据时通常会按照一定的规则进行对齐，以提高访问效率。 常见的对齐规则是以数据的字节大小为单位，要求数据在内存中的地址是其字节大小的整数倍。

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。

填充

为了满足对齐要求，编译器可能会在成员之间插入额外的字节，这些字节被称为填充。

计算类的对象大小的基本原则

以下是计算类的对象大小的基本原则：

成员变量的大小： 类的对象大小取决于其成员变量的大小之和，加上可能的填充。成员变量的字节大小是根据数据类型决定的，如int通常是4字节。

内存对齐： 默认情况下，编译器会以平台相关的字节对齐方式来对齐成员变量。例如，如果平台要求变量以4字节对齐，则如果一个int变量占4字节，那么它的起始地址必须是4的倍数。

继承和多态： 如果类涉及继承和多态，那么类的对象大小还会受到虚函数表（vtable）的影响。每个具有虚函数的类都会有一个vtable，这个vtable中存储了指向虚函数的指针，从而支持多态性。vtable的大小和指针的大小有关。

举个例子，考虑以下类的情况：

class Base {
public:
    int a;
};

class Derived : public Base {
public:
    int b;
};

假设int类型占4字节，平台要求以4字节对齐。那么Derived类的对象大小可能是8字节（int a占4字节，int b占4字节），加上可能的填充。

需要注意的是，不同的编译器和平台可能会对对象大小的计算产生不同的结果，因此在写代码时应该避免过于依赖对象的大小，而是专注于代码的可读性和可维护性。

你可以使用sizeof运算符在编译时获取对象的大小：

size_t size = sizeof(Derived);

八、类成员函数的this指针

this指针用于指向当前对象的指针

1. this指针的作用

在C++中，每个非静态成员函数（方法）都有一个隐含的this指针，指向调用该方法的对象。this指针允许在成员函数内部访问对象的成员变量和其他成员函数，即使成员函数的参数与成员变量同名。

2. this指针的用法

this指针的使用方式非常简单。在成员函数中，可以使用this指针来引用当前对象的成员。例如，使用this指针来区分成员变量和参数名相同的情况 ：

class MyClass {
public:
    int x;

    void setValue(int x) {
        this->x = x;  // 使用this指针引用成员变量
    }
};

3. 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

4. this指针的实际应用

a. 成员函数调用成员函数：

在类的成员函数内部，可以通过this指针调用其他成员函数，从而实现代码的复用和逻辑封装。

class Calculator {
public:
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    int addTwice(int a, int b) {
        return this->add(a, b) * 2;  // 通过this调用add函数
    }
};

b. 实现链式调用

使用this指针可以在一个成员函数内返回*this，从而实现链式调用。

class Chain {
public:
    Chain& setValue(int value) {
        this->value = value;
        return *this;  // 返回*this，实现链式调用
    }

    int getValue() {
        return value;
    }

private:
    int value;
};

5. 注意事项

1. this指针只能在成员函数内部使用，且只有在非静态成员函数中才有效。
2. 静态成员函数没有this指针，因为它们与具体的对象无关。
3. 在多线程编程中，使用this指针时需要注意线程安全性。