【C++】类和对象(上)

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。（基于面向对象是既可以是面向过程也可以是面向对象，因为C++兼容C语言）

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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。

#include

using namespace std;

// C语言写法
struct Stack
{
	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

void StackInit(Stack st)
{
	// ...
}

void StackPush(Stack st , int x)
{
	// ...
}

// C++ 写法
struct Stack
{
	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;

	// 成员函数
	void Init()
	{
		// ...
	}

	void Push(int x)
	{
		// ...
	}
};

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在上面简易的栈中，我们可以看出C语言中的结构体在C++中升级为了类，使用起来比C语言更加的方便。上面定义类的struct可以替换为class，并且在C++中更习惯使用class，struct和class的区别只在于访问限定符，后面会讲到。

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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
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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。

struct Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init()
	{
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

	void Push(int x)
	{
		int newcapacity = capacity == 0 ? 4 : 2 * capacity;
		if (top == capacity)
		{
			a = (int*)realloc(a, newcapacity);
			a[top++] = x;
		}
	}

	void Destroy()
	{
		free(a);
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

private:
	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};
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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::

// .h 文件
struct Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init();
	void Push(int x);
	void Destroy();

private:
	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

// .cpp 文件 
#include"ClassAndObject.h"

void Stack::Init()
{
	a = nullptr;
	top = capacity = 0;
}

void Stack::Push(int x)
{
	int newcapacity = capacity == 0 ? 4 : 2 * capacity;
	if (top == capacity)
	{
		a = (int*)realloc(a, newcapacity);
		a[top++] = x;
	}
}

void Stack::Destroy()
{
	free(a);
	a = nullptr;
	top = capacity = 0;
}
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一般情况下，更期望采用第二种方式。

成员变量命名规则的建议：

class Date
{
public:
	// 这里的函数不能区分是成员变量还是局部变量
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		year = year;
		// ...
	}

private:
	int year;
	int month;
	int day;
};

// 针对上面情况可以对成员变量做一些修饰 
// 并不一定要跟下面的方式相同，合理即可
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
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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

struct Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init()
	{
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

	void Push(int x)
	{
		int newcapacity = capacity == 0 ? 4 : 2 * capacity;
		if (top == capacity)
		{
			a = (int*)realloc(a, newcapacity);
			a[top++] = x;
		}
	}

	void Destroy()
	{
		free(a);
		a = nullptr;
		top = capacity = 0;
	}

private:
	// 成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};
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【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)

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

【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。

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4.2 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？

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。

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。

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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。
在C++中，出现一对{}，那么就出现一个新的作用域。

class date
{
public:
	void init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	void Print();

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

void date::Print()
{
	cout << "year:" << _year << " month:" << _month << " day:" << _day << endl;
}
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六、类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

1. 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。
2. 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

class date
{
public:
	void init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	// date::_year; 错误,类中的成员变量只是声明
	// date._year; 错误,语法错误

	date d; // 实例化
	d._year;

	return 0;
}

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3. 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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七、类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

class Person
{
public:
	void init(char* name, char* gender, int age)
	{
		_name = name;
		_gender = gender;
		_age = age;
	}
	void SetPersonInfo()
	{
		// ...
	}

	void PrintPersonInfo()
	{
		// ...
	}

public:
	char* _name;
	char* _gender;
	int _age;
};

int main()
{
	Person p1;
	cout << sizeof(p1) << endl;
	cout << sizeof(Person) << endl;

	return 0;
}
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问题：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？

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7.2 类对象的存储方式猜测

• 对象中包含类的各个成员
  
  缺陷：每个对象中成员变量是不同的，但是调用同一份函数，如果按照此种方式存储，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会保存一份代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？

• 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
  

• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
  
  

问题：对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？
我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

// 既有成员变量，也有成员函数
class A
{
	void PrintA()
	{
		// ...
	}
private:
	int a;
};

// 仅有成员函数
class B
{
	void PrintB()
	{
		//...
	}
};

// 空类
class C
{

};


int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
	cout << sizeof(B) << endl;
	cout << sizeof(C) << endl;

	return 0;
}
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由上面输出结果，可以得到成员函数并不是存储在函数对象中的。当类中只有成员函数或是类为空类实例化对象时，会开辟一个byte的空间进行占位，不然无法区别同一个类实例化出来的两个对象。

类对象的存储方式为第三种：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

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7.3 结构体内存对齐规则

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。

【面试题】

1. 结构体怎么对齐？ 为什么要进行内存对齐？**
   结构体怎么对齐在这篇文章中讲到过：自定义类型
   为什么要进行内存对齐？
   
   就以上面的图为例，CPU不能从任意的位置开始访问，假设CPU一次访问32个位（这里是假设，访问的位数与CPU、硬件等有关）一次访问四个字节。在CPU不能从任意的位置开始访问的前提下，需要访问a，那么在内存对齐的情况下，只需要访问一次，而不内存对齐的情况下，需要访问两次，且还需要考虑数据拼接情况，并且还会访问到不需要的数据，会降低数据的访问速率。综合而言，内存对齐会浪费少许空间，但相比于不内存对齐更有优势。

2. 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？
   可以，#pragma pack(4)设置默认对齐数为4。能，但不建议这样设置

3. 什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端？
   什么大端小端：
   大端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中。
   小端（存储）模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位，保存在内存的高地址中。

// 测试大小端的代码
int check_sys()
{
	int a = 1;
	return *(char*)&a;
}

int main()
{
	if (check_sys()== 1)
		printf("小端\n"); 
	else
		printf("大端\n"); return 0;
}
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八、this指针

8.1 this指针的引出

首先定义一个日期类 Date

class date
{
public:
	void init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	void Print()
	{
		cout << "year:" << _year << " month:" << _month << " day:" << _day << endl;
	}
public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	date d1;
	date d2;

	d1.init(2023, 6, 6);
	d2.init(2023, 8, 8);

	d1.Print();
	d2.Print();

	return 0;
}
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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。

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8.2 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。

class date
{
public:
	// 编译器自动转换
	// void init(dete* this , int year, int month, int day)
	void init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

public:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
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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

int main()
{
	date d1;

	d1.init(2023, 6, 6);
	// 编译器自动转换
	// d1.init(&d1 , 2023, 6, 6);
	// 注意，传参时用户不能将&d1作为参数传给函数

	return 0;
}
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面试题
this指针是存在哪里的？
this指针是一个形参，一般存储在栈中。
vs下一般会用ecx寄存器直接传递。

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练习题

// 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;
}

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解答：答案为C正常运行。首先就算这里有错误只有可能只空指针的解引用，而我们又知道空指针的解引用会使程序崩溃，不会编译错误，所以排除A。然后成员函数是存储在公共代码区中，并不存储在对象中，所以说这里并没有解引用，程序正常运行。

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变型题

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;
}
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解答：答案为C正常运行。与上面一题相似，成员函数是存储在公共代码区中，并不存储在对象中，所以说这里并没有解引用，程序正常运行。

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变型题

// 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;
}
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解答：答案为B运行崩溃。主函数中的p->PrintA()在上面的题中解释过了没有问题，问题出在PrintA()函数中，PrintA()函数中的cout << _a << endl;会被编译器转化为cout << this->_a << endl;,问题就出在this->_a中，_a存储在对象中，输出_a就需要找到_a，而找到_a又需要通过this指针解引用，又这里的this指针是空指针就导致程序运行崩溃。

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结尾

如果有什么建议和疑问，或是有什么错误，大家可以在评论区中提出。
希望大家以后也能和我一起进步！！🌹🌹
如果这篇文章对你有用的话，请大家给一个三连支持一下！！🌹🌹