大话C++：第11篇 类的定义与封装

1 类的定义

在C++中，类的定义通常使用class关键字开始，后面紧跟类的名称。类可以包含数据成员（变量）和成员函数（方法）。

在C++中，类可以更加详细地展开，包括数据成员（变量）的声明、成员函数的声明与定义、构造函数、析构函数、内联成员函数、静态成员、友元函数等。类定义的语法格式：

// ClassName类名
class ClassName 
{
public:
    // 公共构造函数
    ClassName();                      // 默认构造函数
    ClassName(const ClassName& other); // 拷贝构造函数
    ~ClassName();                     // 析构函数

    // 公共成员函数（包括内联函数）
    void publicFunction();
    void anotherPublicFunction() const; // const成员函数
    static void staticPublicFunction(); // 静态成员函数

    // 公共成员变量（通常不推荐，因为破坏了封装性）
    int publicVariable;

    // 友元函数和友元类
    friend void friendFunction(ClassName& obj);
    friend class FriendClass;

protected:
    // 受保护成员函数
    void protectedFunction();

    // 受保护成员变量
    int protectedVariable;

private:
    // 私有成员函数
    void privateFunction();

    // 私有成员变量
    int privateVariable;

    // 私有静态成员变量
    static int privateStaticVariable;

    // 私有静态成员函数
    static void privateStaticFunction();

    // 类内定义成员函数（内联函数）
    inline void inlineFunction() {
        // 函数体
    }

    // 类的嵌套类
    class NestedClass {
        // NestedClass 的定义
    };
};

其中，

• 构造函数和析构函数用于对象的初始化和清理。

• 成员函数可以是公共的、受保护的或私有的。

• 静态成员（函数和变量）属于类本身，而不是类的任何特定对象。

• 友元函数和友元类可以访问类的私有和保护成员。

• 内联函数通过在调用点插入函数体的复制品来提高执行速度，适合函数体简短且调用频繁的情况。

• 嵌套类是在另一个类内部定义的类。

类的定义通常放在头文件中，类的实现放在源码文件cpp。例如，学生的定义与实现

• student.h学生类的定义

// student.h
#ifndef __STUDENT_H__
#define __STUDENT_H__

#include <string>

class Student 
{
public:
    // 构造函数
    Student(const std::string& name, int age, int num);
    // 析构函数
    ~Student();

    // 公共成员函数
    void DisplayInfo() const;

	// 获取成员变量的函数
    // 获取姓名
    inline std::string GetName() const;
    // 获取年龄
	inline int GetAge() const;
	// 获取学号
    inline int GetNum() const;
    
    // 设置成员变量的函数
    // 设置姓名
    inline void SetName(const std::string& name);
    // 设置年龄
    inline void SetAge(const int age);
    // 设置学号
    inline void SetNum(const int num);


private:
    // 私有成员变量
    std::string _name;	// 姓名
    int _age;			// 年龄
    int _num;			// 学号
};

#endif // __STUDENT_H__

• student.cpp学生类的实现

// student.cpp
#include "student.h"
#include <iostream>

// 构造函数
Student::Student(const std::string& name, int age, int num) 
    : _name(name), 
	  _age(age), 
	  _num(num)
{
    std::cout << "Student构造函数" << std::endl;
}

// 析构函数（在这个简单的例子中，析构函数是空的）
Student::~Student() 
{
    std::cout << "Student析构函数" << std::endl;
}

// 显示学生信息
void Student::DisplayInfo() const 
{
    std::cout << "该学生姓名：" << _name 
        << "，年龄：" << _age 
        << "，学号：" << _num 
        << std::endl;
}

// 获取学生姓名
std::string Student::GetName() const
{
    return _name;
}

// 获取年龄
int Student::GetAge() const
{
	return _age;    
}

// 获取学号
int Student::GetNum() const
{
    return _num;
}

// 设置姓名
void Student::SetName(const std::string& name)
{
    _name = name;
} 

// 设置年龄
void Student::SetAge(const int age)
{
    _age = age;
}

// 设置学号
void Student::SetNum(const int num)
{
    _num = num;
}

• main.cpp学生对象的定义及使用

// main.cpp
#include <iostream>
#include "student.h"

int main()
{
    // 创建学生对象
    Student student("Jack", 25);

    // 调用成员函数
    student.DisplayInfo();
    std::cout << "该学生对象的名字: " << student.GetName() << std::endl;

    // 修改学生年龄
    student.SetAge(22);

    // 再次调用成员函数
    student.DisplayInfo();

    return 0;
}

2 类的封装

C++ 类的封装是面向对象编程中的一个核心概念，它指的是将数据（成员变量）和行为（成员函数）结合在一起的机制，并隐藏内部实现细节，只暴露出一个可以被外界访问和使用的接口。封装可以提高安全性和易于维护，因为它限制了对类内部数据的直接访问，只允许通过类提供的成员函数来操作数据。

为了实现封装，C++提供了访问修饰符（public、private、protected）来控制类成员的访问权限。访问修饰符对类、派生类及对象具有不同的访问权限，如下表所示：

#include <iostream>

class Person 
{
public:
    void SetName(const std::string& name) { // 公有成员函数
        _name = name;
    }

    std::string GetName() const 
    { 
        // 公有成员函数
        return _name;
    }
    
protected:
    // 受保护成员函数
    void SetAge(int age) 
    {
        _age = age;
    }    
    
protected:
    // 受保护成员变量
    int _age; 

private:
    // 私有成员变量 
    std::string _name;    
};

int main()
{
    Person person;

    // 对象无法直接访问私有成员
    // person._name = "Alice";

    // 对象可以访问公有成员函数
    person.SetName("Jack");
    std::cout << person.GetName() << std::endl;

    // 对象无法直接访问受保护成员
    // person._age = 10; // 错误：受保护成员无法访问

    return 0;
}

3 类的访问修饰符

在C++中，类的访问修饰符主要用于控制类成员（包括数据成员和成员函数）的访问权限。这些修饰符主要有四种：public、protected、private和默认的default。其中，

• public（公共访问修饰符）：

  • 访问权限：最高级别的访问权限。

  • 作用：允许类的任何对象以及任何其他代码访问该类的成员（无论是数据成员还是成员函数）。

  • 使用场景：通常用于提供类的外部接口，即允许外部代码调用的成员函数或访问的数据成员。

• protected（受保护的访问修饰符）：

  • 访问权限：次高级别的访问权限。

  • 作用：允许类的对象、派生类（子类）以及类的内部代码访问该类的成员。

  • 使用场景：通常用于实现继承时，在基类中定义一些需要被子类访问但不需要被外界访问的成员。

• private（私有的访问修饰符）：

  • 访问权限：最低级别的访问权限。

  • 作用：只允许类的内部代码访问该类的成员。

  • 使用场景：通常用于隐藏类的内部实现细节，确保数据的封装性。

• default（默认访问修饰符）：

  • 访问权限：包（package）级别的访问权限。

  • 作用：允许同一包（package）中的其他类访问该类的成员，但不允许包外的类访问。

表格形式总结一下，详见下表：

注意：在C++中，没有明确的default关键字来表示包私有访问，这里的default仅用于类比，代表类内部和同一包内其他类可以访问，但对象和包外类无法访问。在C++中，如果一个成员没有被显式声明为public、protected或private，那么它的访问级别就是private。