【C++】类与对象（一）

「前言」

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[一、面向过程和面向对象初步认识][Link 2]

二、类的引入

三、类的定义

四、类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

4.2 封装

五、类的作用域

六、类的实例化

七、类对象模型

7.1 计算类对象的大小

7.2 类对象的存储方式猜测

八、this 指针

8.1 this指针的引出

8.2 this 指针的特性

九、关于C++的代码风格

一、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。

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

比如：洗衣服这件事，面向过程是这样的，注重的是过程

在这里插入图片描述

面向对象是这样的，注重的是对象

在这里插入图片描述

二、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

比如，在C++中使用结构体（C++兼容C语言）

//C++兼容C结构体的语法
struct ListNodeC
{int val;struct ListNodeC* next;
};//C++同时也支持这种语法，因为在C++中struct已经升级成了类
struct ListNodeCpp
{int val;ListNodeCpp* next;
};

在C++中，struct 中可以定义函数

struct Stack
{//C++在可以在结构体中定义函数void Init(){a = 0;top = capacity = 0;}void Push(int x){// ...}void Pop(){// ...}int* a;int top;int capacity;
};

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用类（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（函数代码量少，只有几行的情况）

//声明和定义全部放在类中
class Person
{//函数定义void showInfo(){cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;}//...//成员变量char _name;char _sex;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::

//声明放在类中的头文件 person.h 中
class Person
{//函数声明void showInfo();//...//成员变量声明char _name;char _sex;int _age;//...
};//函数定义放在 test.cpp 中
void Person::showInfo()
{cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
}

一般情况下，采用第二种方式：

小函数想成为内联函数 inline，直接在类里面定义即可
如果是大函数，定义和声明应该分离

四、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

在这里插入图片描述

访问限定符说明：

public 修饰的成员在类外可以直接被访问
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)
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
如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束
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，在这里 privata 和 protected 没有啥区别，学到继承的时候才有区别

代码示例：

class Person
{
//公有，大家可以随便使用访问
public://函数声明void showInfo();//...//私有，不能访问
private://成员变量声明char _name;char _sex;int _age;//...
};

面试题问题：C++中struct和class的区别是什么？

解答：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。这里只是最重要的三大特性，其实面向对象不止这三种特性。

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
隐藏对象：设置 protected 和 private 域中的成员变量
对外公开接口：设置 public 域中的开放成员函数

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

在这里插入图片描述

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，同理封装也是如此

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

在这里插入图片描述

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;
}

六、类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

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
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
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

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例如：

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七、类对象模型

7.1 计算类对象的大小

类中既可以有成员变量，又可以有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么？如何计算一个类的大小？

class A
{
public:void PrintA(){cout<<_a<<endl;}
private:char _a;
};

解释请看下面

7.2 类对象的存储方式

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:void f1() {}			//非静态成员函数static void f2() {}		//静态成员函数
private:int _a;					//非静态成员变量static int _b;			//静态成员函数（类内声明）
};
int A1::_b=0;				//类外定义
// 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()
{cout << "A1:" << sizeof(A1) << endl;cout << "A2:" << sizeof(A2) << endl;cout << "A3:" << sizeof(A3) << endl;return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和（同结构体内存对齐，按照结构体内存对齐规则计算即可）
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
注意static静态成员变量和静态成员函数以及非静态成员函数不属于类对象上，所以不计算（所以计算还是4）
只有非静态成员变量属于类对象

7.3结构体内存对齐规则

第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
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
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。
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。

【面试题】

结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？
如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐？能否按照3、4、5即任意字节对齐？
什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端，有没有遇到过要考虑大小端的场景

八、this 指针

this指针指向被调用的成员函数所属的对象
this指针隐含每个非静态成员函数（static静态的无哦，具体看下一篇）
不需要定义，直接使用
当形参和实参同名时。用this指针区分
在类的非静态成员函数返回对象本身，使用return *this

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; // 年int _month; // 月int _day; // 日
};int main()
{Date d1, d2;d1.Init(2022, 9, 25);d2.Init(2022, 9, 26);d1.Print();d2.Print();return 0;
}

运行结果：

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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

比如，把 this 指针补充完善如下：

在这里插入图片描述

但实际代码不能补上，补上就会报错（上面补充方便理解），因为 this 指针对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

虽然实参和形参位置不能显示接受 this 指针（也就是上面写出来），但可以在成员函数内部使用 this 指针，如

在这里插入图片描述

8.2 this 指针的特性

this指针的类型：类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值，可以给this指向的内容赋值（关注const性质）
只能在“成员函数”的内部使用
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。
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

8.3 this 指针易错题（空指针访问问题）

【面试题】

this指针存在哪里？

this 指针存在栈上，因为它是一个形参，它随着函数调用结束之后会销毁了

this指针可以为空吗？

this指针可以为空
在C++中，this指针是一个指向当前对象的指针，它只有在对象被创建后才会被初始化
如果在对象创建之前或者对象销毁之后访问this指针，就会出现空指针异常

（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

// 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;
}

答案是C，正常运行

在这里插入图片描述

解释：

用刚刚类对象计算的知识点就能分析

== 成员函数（静态和非静态）的地址不在对象中存储，存在公共代码段==
这里调用成员函数，不会去访问 p 指向的空间，也就不存在空指针解引用了，这里只会把 p 传递给隐含的 this 指针，但是 Show 函数中也没有解引用 this 指针
所以这里选择 C 选项

（2）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

// 2.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;
}

答案是B，运行崩溃

在这里插入图片描述

解释：

这里同上，Print 不在 p 里面，它在公共代码段，然后把 p 传递给隐含的 this 指针，至此没问题
但是在 Print 函数里访问成员变量时 _a 时会补充上 this->_a，而这个指针是一个空指针，所以崩了
所以这里选择 B 选项

所以可以这样防止this空指针

void Print（）
{if(this==NULL){return;}
}

九、关于C++的代码风格

我们经常会在 C++ 代码里看到变量前加一个杠 _ 或者在变量后加一个杠 _，这其实是 C++ 的规范用法，这里的价值在如上代码就体现了，如果不加杠，在初始化时就懵了 (year = year)，加杠就代表它是成员变量，易于理解

在C++代码中，主要有两种代码风格习惯

单词和单词之间首字母大写间隔 – 驼峰法，如 GetYear
单词全部小写，单词之间_分割，如 get_year

自己选择一种即可，这里推荐的代码风格：

函数名、类名等所有单词首字母大写如 DateMgr
变量首字母小写，后面单词首字母大写如 dateMgr
成员变量，首单词前面加_ 如 _dateMgr

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「 作者 」 代码探秘者
「 更新 」 2024.9.8
「一句名言 」 路过山水万程，祝自己与温柔重逢。我永远屈服于温柔，而你是温柔本身