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【C++修炼之路】C++类与对象：面向对象编程的第一步

article 2025/2/27 17:27:42

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🏝️专栏：【C++修炼之路】
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“于高山之巅，方见大河奔涌；于群峰之上，更觉长风浩荡”

一、面向过程和面向对象的初步认识

二、类的定义

三、类的访问限定符及封装

3.1 访问限定符

3.2 封装

1. 封装的基本概念

2. 封装的核心点

（1）数据隐藏

（2）数据校验

（3）接口暴露

四、类对象模型

4.1 类对象大小的基本规则

4.2 结构体内存对齐规则

规则 1：成员变量的对齐值

规则 2：结构体的起始地址

规则 3：成员变量的偏移量

规则 4：结构体的总大小

五、this指针

5.1 this指针的引出

5.2 this指针的特性

你是否曾经听说过“面向对象编程”（OOP）这个词，但却不知道它具体是什么意思？或者你已经对C++有了一些基础，但面对“类”和“对象”时感到困惑？不用担心，这篇文章将带你从零开始，轻松理解C++中的类与对象，掌握面向对象编程的核心概念。

C++作为一门强大的编程语言，其面向对象特性使得代码更加模块化、可重用和易于维护。而“类”和“对象”正是面向对象编程的基石。通过本文，你将学习到：

- 什么是类？什么是对象？
- 如何定义和使用类？
- 类的访问限定符及封装
- 类成员函数的this指针

一、面向过程和面向对象的初步认识

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。

比如你需要点一份外卖，就是打开手机软件，选择食物，下单，等待配送，取餐

面向过程的特点是：

代码以“步骤”为中心，通过函数调用来完成任务。

数据和函数是分离的，没有封装的概念。

如果需求变化（例如增加新的角色或功能），代码需要大量修改

C++是面向对象的，我们会将问题中的实体抽象为“对象”，每个对象有自己的属性和行为。

面向对象的特点是：

将问题中的实体（用户、商家、骑手）抽象为“类”，每个类有自己的属性和方法。

数据和操作数据的方法封装在一起，代码更易于维护和扩展。

如果需求变化（例如增加新的角色或功能），可以通过添加新的类或方法来实现，而不需要修改现有代码。

二、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 Preson
{
public:
	void show_Info()
	{
		cout << _name << "-" << _age << "-" << _sex << endl;
	}
public:
	char* _name;
	int _age;
	char* _sex;
};
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::
	void Person::show_Info()
	{
		cout << _name << "-" << _age << "-" << _sex << endl;
	}

一般为了命名好区分，我们把类里面的变量加一个前缀作为区分（如：_name）

三、类的访问限定符及封装

3.1 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

【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)

3.2 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？

1. 封装的基本概念

封装的核心包括两个方面：

将数据和方法捆绑在一起：类的成员变量（数据）和成员函数（方法）被封装在一个类中。

访问控制：通过访问修饰符（如private、public、protected）来控制外部代码对类成员的访问权限。

就像我们的电脑，内部电路，芯片设计都是别封装起来的，只有一些外部接口（USB、充电口）留在外面

2. 封装的核心点

（1）数据隐藏

将成员变量（如orderId、food、price）设置为private，外部代码无法直接访问或修改。

只能通过公共方法（如setPrice、getPrice）来间接访问或修改数据。

（2）数据校验

在公共方法中添加逻辑，确保数据的合法性。例如，setPrice方法会检查价格是否为负数。

（3）接口暴露

只暴露必要的公共方法（如displayOrder、setPrice、getPrice），隐藏内部实现细节。

四、类对象模型

4.1 类对象大小的基本规则

类对象的大小主要由以下因素决定：

成员变量的大小：
- 每个成员变量都会占用一定的内存空间。
- 成员变量的类型决定了它的大小（例如，int通常占4字节，double占8字节）。
内存对齐（Alignment）：
- 为了提高内存访问效率，编译器会对数据进行对齐。
- 对齐规则因编译器和平台而异，但通常是按照成员变量中最大类型的对齐值来对齐。
虚函数（如果存在）：
- 如果类中有虚函数，编译器会为该类添加一个虚表指针（vptr），通常占用4或8字节（取决于系统架构）。
空类的大小：
- 如果一个类没有成员变量，它的大小通常为1字节（用于占位，确保每个对象有唯一的地址。）

4.2 结构体内存对齐规则

这里我们在复习一下结构体内存的对齐规则：

规则 1：成员变量的对齐值

每个成员变量的对齐值是其自身大小和编译器默认对齐值中的较小值。
- 例如，int的对齐值是4，double的对齐值是8。

规则 2：结构体的起始地址

结构体的起始地址必须是其最大成员变量对齐值的整数倍。

规则 3：成员变量的偏移量

每个成员变量的偏移量（即其在结构体中的位置）必须是其对齐值的整数倍。
- 如果前一个成员变量的大小不满足当前成员变量的对齐要求，编译器会插入填充字节。

规则 4：结构体的总大小

结构体的总大小必须是其最大成员变量对齐值的整数倍。
- 如果最后一个成员变量的大小不满足对齐要求，编译器会在结构体末尾插入填充字节。

五、this指针

在C++中，this指针是一个隐含的指针，它指向当前对象的地址。每个非静态成员函数（包括构造函数和析构函数）都可以通过this指针访问调用该函数的对象。this指针是C++实现面向对象编程的重要机制之一

5.1 this指针的引出

让我们来看下面的代码出了什么问题：

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 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。

5.2 this指针的特性

隐含指针：
每个非静态成员函数都有一个隐含的this指针，指向调用该函数的对象。

类型：
this指针的类型是ClassName*（指向当前类类型的指针）。在const成员函数中，this指针的类型是const ClassName*。

不可修改：
this指针本身是常量指针，不能被修改（即不能指向其他对象）。

用于访问成员：
用于区分成员变量和局部变量，或返回当前对象。

静态成员函数无this指针：
静态成员函数没有this指针，因为它们不依赖于对象。

链式调用：
通过返回*this，支持链式调用（如obj.func1().func2()）。