详解C++类和对象（上）

文章目录

写在前面
1. 类的定义
2. 类的访问限定符及封装
- 2.1 类的访问限定符
- 2.2 封装
3. 类的作用域
4. 类的实例化
5 类的对象大小的计算
6. 类成员函数的this指针

写在前面

类和对象这一章节，分为上、中、下三篇文章进行拆分介绍的，本篇文章介绍了类和对象中比较基础的一些知识点，比如如何定义一个类，类的大小如何进行计算等。
在本片文章正式开始之前，我们先来了解一下什么是面向过程和面向对象。

面向过程：我们知道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。例如，在我们烹饪食物的过程中，我们可能会按照一系列步骤进行，比如准备食材、切菜、炒菜等。每个步骤都是按照固定的顺序执行，类似于面向过程的编程风格。
面向对象：而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。例如，我们可以将汽车视为一个对象，它有自己的属性（颜色、型号、速度等）和方法（加速、刹车、转向等）。我们可以通过调用汽车的方法来实现控制汽车的行为。

1. 类的定义

我们知道，在C语言结构体中只能定义变量，而在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。比如：在之前数据结构初阶中，我们使用了C语言的方式实现了栈，结构体中只能定义变量，像StackInit()等函数只能定义在结构体外面；现在以C++方式实现，会发现struct中也可以定义函数。
在这里插入图片描述
而struct是C语言中的玩法，而C++兼容C语言，因此用struct也是可以的，但是在C++中更推荐用class来代替struct。

下面给出类的定义方式：
类的定义通常以关键字（例如class）开头，后跟类名和类体，类体内包含成员变量和成员函数。

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

需要注意的是：

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。

类的定义方式有两种，下面给出这两种定义方式：

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。
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::，通过类名::来指定这些函数是属于这个类的。

在上面两种定义方式中，一般情况下，更期望采用第二种方式。成员函数声明和定义分离。

2. 类的访问限定符及封装

2.1 类的访问限定符

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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)。

2.2 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？
C++实现封装的方式是通过类将对象的属性（成员变量）和方法（成员函数）结合在一起，形成一个完整的单元，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，使得对象的行为对外部用户来说更加简单和安全。
封装本质上是一种管理，让用户更方便使用类。例如：许多家用电器（如洗衣机、微波炉等）都配有控制面板，用户可以通过控制面板来启动、停止、调节电器的功能。控制面板封装了电器的内部控制逻辑，用户无需了解内部细节，只需通过简单的操作就可以完成所需的功能。
在这些例子中，封装将对象的内部细节隐藏起来，只暴露简单易用的接口给用户，从而提高了用户的使用体验，同时保护了对象的内部实现。
在C++中，封装通常通过类来实现。通过将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（public、private、protected）来隐藏对象内部实现细节，控制哪些成员变量和成员函数在类外面可以访问，从而实现封装。

3. 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。
类的作用域指的是类中成员（包括成员变量和成员函数）的可见性范围，也就是在何处可以访问类的成员。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。
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4. 类的实例化

类的实例化是将类的定义转化为具体的对象，也就是用类类型创建对象的过程。使得我们可以通过对象来访问和操作类的成员。

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。
例如：尝试直接使用Stack._top进行访问，这样的语法是错误的，因为Person是一个类名，而不是类的对象，不能直接访问类的成员变量。

#include "stack.h"
int main()
{
	Stack._top = 100;
	return 0;
}

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

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。

5 类的对象大小的计算

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？

struct Stack
{
private:
	int* _nums;
	int _top;
	int _capacity;

public:
	void Init();
	void Destroy();
};

要想计算类的对象大小，首先我们要知道类对象是如何进行存储的。我们先对类对象的存储方式进行猜测一下：
猜测一：对象中包含类的各个成员。
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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？
猜测二：代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址。
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缺陷：存在可移植性问题等，如果代码被移植到另一个系统或平台上，代码的地址可能会发生变化，这可能会导致类对象的行为发生变化或者无法正常工作，因此通常不建议采用这种方式。

猜测三：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。
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将类对象中的成员变量保存在实例化的对象中，而将成员函数存放在公共的代码段，这种做法是常见的，并且是C++类对象的标准行为。并且这是一种有效的设计选择，有利于减少内存占用、提高性能和维护代码的便利性。
综上：一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和，当然要注意内存对齐。
关于如何内存对齐，请参考之前写的文章如何计算一个结构体的大小？这里就不多做介绍。
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。

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6. 类成员函数的this指针

现有一个日期类Date：

class Date
{
public:
	void Init(const int year, const int month, const int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << '/' << _month << '/' << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1;
	Date d2;

	d1.Init(2024, 2, 4);
	d2.Init(2024, 2, 5);

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

而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？

这是因为：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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this指针的特性：

this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
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。

给出下面代码，请思考代码运行结果：

// 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;
}
// 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->Print();
 	return 0;
}