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【C++】类和对象（上）

article 2024/12/24 21:59:09

现在我们来对C++中类和对象进行极其详细的讲解：

一、类的引入

在C语言中我们没有类这个概念，所以在使用结构体时所定义的是一个类型，里面只能定义变量，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：

typedef struct Stack
{
    int* _a;
    int _top;        // 栈顶
    int _capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
    assert(ps);
    ps->_a = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
    if (ps->_a == NULL)
    {
        perror("malloc");
        exit(-1);
    }
    ps->_capacity = 4;
    ps->_top = 0;
}
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, int data)
{
    assert(ps);//传入的指针不能为空
    if (ps->_capacity == ps->_top)//判断栈是否已满，满了就扩容
    {
        int* temp = (int*)realloc(ps->_a, (ps->_capacity + 4) * sizeof(int));
        if (temp == NULL)
        {
            perror("realloc");
            exit(-1);
        }
        ps->_a = temp;
        ps->_capacity += 4;
    }
    ps->_a[ps->_top] = data;//向栈内添加数据
    ps->_top++;//栈顶增加1
}

现在以C++方式实现，会发现结构体中也可以定义函数：

struct Stack
{
    // 初始化栈 
    void StackInit(int a = 4)
    {
        _a = (int*)malloc(sizeof(int) * a);
        if (_a == nullptr)
        {
            perror("malloc");
            exit(-1);
        }
        _capacity = 4;
        _top = 0;
    }
    // 入栈 
    void StackPush(int data)
    {
        if (_capacity == _top)//判断栈是否已满，满了就扩容
        {
            int* temp = (int*)realloc(_a, (_capacity + 4) * sizeof(int));
            if (temp == nullptr)
            {
                perror("realloc");
                exit(-1);
            }
            _a = temp;
            _capacity += 4;
        }
        _a[_top] = data;//向栈内添加数据
        _top++;//栈顶增加1
    }
    int* _a;
    int _top;        // 栈顶
    int _capacity;  // 容量 
};

而且我们可以看到在Stack这个类中，声明的变量和函数并不需要分先后，即使函数中所要使用的变量的声明在之后，系统也可以找到。

下面我们来浅浅的使用一下这个类：

发现完全可以，我们只需要声明类之后像结构体一样使用内部函数即可，而且比C语言更方便了！

但是嘛~上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

二、类的定义

在C++中struct和class这两个关键字都可以来定义类：

📌具体操作为：

//用struct定义（不推荐）
struct 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 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

不过它们两是有区别的

📋下面我们来做一些演示，让我们更好的理解它们的区别：

在上面我们在类中声明并且定义了函数，那我们可不可以将其分开呢？

当然可以，下面我们在Stack.h和Stack.cpp文件中分别声明和定义类中的函数：

Stack.h：

Stack.cpp：

❗注意：在上面我们要注意不在类中定义函数时要加上类的名字的命名空间，表示不是一个全局函数，而是一个类中的函数

下面我们来编译一下代码，发现可以通过：

那我们现在将struct换成class会发生什么呢？

我们可以看到报错：无法访问private成员，这是为什么呢？

这就要涉及到类的访问限定符了~

三、类的访问限定符及封装

3.1 访问限定符

我们在创建完一个类时，其内部有默认的访问方式，而我们可以用访问限定符来修改其内部的访问方式

访问限定符有三种：

pubilc（公有） protected（保护） private（私有）

❗注意：

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)

📋现在我们来将Stack.h上面的类修改一下：

编译就成功了：

3.2 封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态（对于对象我们在后面还会向大家详细讲述） 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。

四、类的实例化

我们在用定义的类创建一个对象时就是类的实例化的过程：

//类
class Date {
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
int main()
{
    Date d;//创建一个名为d的对象————类的实例化
    d.Init(2023, 3, 15);
    return 0;
}

上面就是Date d;就是将类进行的实例化，生成了一个名字为d的对象

五、类对象内存的计算

💡那我们所创建的对象有多大呢？其空间要不要像结构体一样进行内存对齐呢？类中的函数要不要占据空间呢？

📋带着这些问题，我们开始进行验证：

我们可以看到类创建的对象和结构体一样，其内部函数不占空间，只有内部成员变量以内存对齐的方式占据空间

对结构体内存对齐的方式不熟悉的小伙伴可以点击下面的连接：

结构体内存计算详解，及scanf函数返回值和匿名结构体的解析__1e-12的博客-CSDN博客

💡那为什么内部函数不占用空间呢？

我们可以想象一下如果我们一个类创建很多个对象，每个对象的内部都占据空间，但是它们都是同一个函数执行相同的指令这不就造成了空间上的巨大浪费嘛

💡那只有内部函数的类的对象和内部什么成员都没有的类的对象是否占据空间呢？

// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
   void f2() {}
};
// 类中什么都没有---空类
class A3
{};

📋我们来进行实验：

我们可以看到仅有成员函数的类和空类所生成的对象只占1字节的空间（这是因为编译器给了这种类一个字节来唯一标识这个类的对象）

六、this指针

6.1 this指针的引出

📋我们还是来看一下Date这个类：

class Date {
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
int main()
{
 Date d1, d2;
 d1.Init(2023,1,11);
 d2.Init(2023,2,28);
 return 0;
}

💡对于上述类，有这样的一个问题：Date类中有 Init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。

下面是编译器加上this指针的原理模拟图（在我们实际写代码无法手动进行的操作）：

我们虽然不能手动添加this指针，但是我们在类中可以使用它，下面这段代码可以更好的看到this指针的存在：

class Date {
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        std::cout << this << std::endl;
        this->_year = year;
        this->_month = month;
        this->_day = day;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
int main()
{
    Date d1;
    Date d2;
    d1.Init(2023, 1, 3);
    std::cout << &d1 << std::endl;
    d2.Init(2023, 1, 2);
    std::cout << &d2 << std::endl;
    return 0;
}

运行效果：

6.2 this指针的特性

1. this指针的类型：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栈/ecx寄存器（vs环境下）自动传递，不需要用户传递

6.3 关于this指针疑惑的几个点

6.3.1 this指针存在哪里？

this指针作为形参当然是存在栈上啦~

6.3.2 关于this指针的空值

我们来看两个例子：

// 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;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}

上面该程序p指针虽然是空值，但是Printf函数不存在对象中，我们可以通过p指针来找到在代码段的Print函数，此时默认传入this指针的值为空，但是Print函数内部并没有对this指针进行任何解引用的操作，所以不影响程序的运行

// 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 PrintA()
    {
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}

这个程序我们可以看到其直接崩溃了，因为PrintA函数要打印_a成员，而此时默认传入this指针的值为空，PrintA函数内部对this指针进行解引用的操作，程序直接崩溃。

七、 C语言和C++实现栈的对比

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：

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

函数中都是通过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：

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

本期博客到这里又要和大家说再见啦~

下一期见喽~


http://www.kler.cn/a/1931.html

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