【C++初阶】类和对象（上）

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文章目录

  • 前言
  • 一、类的引入
  • 二、类的定义
  • 三、类的访问限定符及封装
  • 四、类的作用域
  • 五、类的实例化
  • 六、类对象模型
  • 七、this指针

前言

📖面向过程
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。以洗衣服这件事为例，下图是C语言完成洗衣服这件事的过程。
在这里插入图片描述📖面向对象
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。针对洗衣服这件事，C++会设置四个对象：人、衣服、洗衣粉、洗衣机。整个洗衣服的过程就变成了：人将衣服放进洗衣机、倒入洗衣粉、启动洗衣机，洗衣机就会完成洗衣过程并甩干。整个洗衣服的过程，是人、衣服、洗衣粉、洗衣机四个对象之间交互完成的，人不需要关心洗衣机具体是如何洗衣服的。
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一、类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体不仅可以定义变量，也可以定义函数。比如：之前用C语言方法实现的栈，结构体中只能定义变量，而现在C++方式实现，struct中也可以定义函数。
📖C语言版

typedef int DataType;
struct Stack
{DataType* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};struct Stack s;//声明一个结构体变量

结构体中只能定义变量，并且声明栈类型的变量时，必须写全struct Stack。

📖C++版

typedef int DataType;
struct Stack
{//函数void Init(size_t capacity){_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(const DataType& data){// 扩容_array[_size] = data;++_size;}DataType Top(){return _array[_size - 1];}void Destroy(){if (_array){free(_array);_array = nullptr;_capacity = 0;_size = 0;}}//变量DataType* _array;size_t _capacity;size_t _size;
};
Stack s;//声明一个栈类型对象
s.Init();//调用类里面的函数
s.Push(10);
s.Push(20);
s.Push(30);
s.Push(40);
int ret = s.Top();
s.Destroy();

C++中，struct结构体升级成了类，它里面不仅可定义变量，还可以定义函数，并且声明栈类型变量的时候，可以不加struct。声明的变量可以通过.去调用类里面的函数。

二、类的定义

class className
{//类体：由成员变量和成员函数组成
};//不要忘了分号

C++中可以用struct来定义一个类（把C语言中的结构体升级了），但更多的是使用class关键字来定义类。class后面跟类名，{}中的是类的主体。注意：类定义结束时后面分号不能省略。

类体中的内容称为类的成员：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。

📖类的两种定义方法：

  • 声明和定义全部放在类体中。
//定义一个人的类
class Person
{//成员函数——显式基本信息void showInfo(){cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;}//成员变量char* _name;//姓名char* _sex;//性别int _age;//年龄
};

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，最终是否真的是内联，还是由编译器说了算。

  • 类的声明放在.h文件中，成员函数的定义放在.cpp文件中。
Person.h文件
//定义一个人的类
class Person
{//成员函数——显式基本信息void showInfo();//成员变量char* _name;//姓名char* _sex;//性别int _age;//年龄
};

Person.cpp文件
#include "Person.h"void Person::showInfo()
{cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;
}

注意：成员函数名前需要加类名::，告诉编译器这个函数属于哪个类域，否则编译器不知道成员函数里面的成员变量是哪里的。
小Tips：一般情况下，更期望采用第二种方法来定义类。

三、类的访问限定符及封装

📖访问限定符
C++实现封装的方法：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（成员函数）提供给外部的用户使用。C++提供了三种限制权限的访问限定符：public、protected、private。
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📖访问限定符说明

  • 访问限定符可以修饰类中的成员变量、成员函数、内部类、重命名类型。友元函数的声明不受访问限定符的限制。
  • public修饰的成员，在类外面可以直接被访问（通过对象.访问）。
  • protected和private修饰的成员在类外面不能直接被访问，目前我们认为它们两个一样，只有在继承的时候，这俩才有区别。
  • 访问权限的作用域：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的默认访问权限是private，struct为了兼容C语言，默认访问权限是public。
  • 访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没任何访问限定符上的区别。

📖封装
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封装就是：把数据和操作数据的方法进行有机的结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口来和对现象进行交互。

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、内存等一些硬件原件。
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对于计算机的使用者而言，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。

四、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::作用域限定符指明成员属于哪个类域。不同的类域里面可以定义同名变量，

Person.h文件
//定义一个人的类
class Person
{//成员函数——显式基本信息void showInfo();//成员变量char* _name;//姓名char* _sex;//性别int _age;//年龄
};

Person.cpp文件
#include "Person.h"void Person::showInfo()
{cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;
}

如上面的成员函数showInfo，对于函数体中出现的变量_name等，编译器会先在当前函数的局部域中搜索，如果没有找到，接下来会到对应的类域里面去搜索，当类域里面也没有的时候，最后回到全局区搜索，如果全局也没有，编译就会报错。

注意：所有的域都会影响访问，但是只有全局域和局部域会影响生命周期，而类域和命名空间域不会影响声明周期。

五、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。类和对象的关系可以看成，拿图纸建房子的过程，图纸就是类，建出来的一栋栋房子，就是一个个的对象。
在这里插入图片描述一个类可以实例化出多个对象，就像一个图纸，可以建成很多房子一样，实例化出的对象占用实际的物理空间，存储类成员变量。类里面不能存数据，就像图纸里面不能住人一样。

//定义一个人的类
class Person
{
public://成员函数——显式基本信息void showInfo(){cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << "-" << endl;}
public://成员变量const char* _name;//姓名const char* _sex;//性别int _age;//年龄
};
int main()
{Person p1;//用类实例化一个对象p1p1._name = "王华";p1._sex = "男";p1._age = 10;//Person._name = "黎明";//这是错的，这就相当于图纸里住人return 0;
}

六、类对象模型

📖类对象的大小

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 
{
public:void f1() {}
private:int _a;
};
// 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的大小" << sizeof(A1) << endl;cout << "A2的大小" << sizeof(A2) << endl;cout << "A3的大小" << sizeof(A3) << endl;return 0;
}

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一个类的大小，实际就是该类中“成员变量”之和，要遵守内存对齐规则，对于一个没有成员变量的类来说，编译器会给这种类一个字节，来唯一标识这个类对象。
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还是以建房子为例，类就相当于图纸，对象就是用图纸建造出来的房子，成员变量就相当于卧室、厨房、卫生间等，是每个房子都应该有的属性。而成员函数，就相当于健身房、篮球场等，不需要建在每一个房子里，建在一个公共场所，大家都可以来使用。

小Tips：sizeof(类)和sizeof(对象)计算出来的结果是一样，前者相当于拿着图纸，计算房子的面积，后者相当于直接拿尺子去测量实际房子的面积。

📖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。
  • 对齐数=编译器默认的对齐数与该成员大小的较小值。（vs的默认对齐数是8）
  • 结构体的总大小：最大对齐数（所有变量类型中的最大对齐数和默认对齐数取最小）的整数倍。
  • 如果嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐到自己最大的对齐数的整数倍处，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。

📖为什么会有内存对齐规则？
计算机在访问数据的时候，并不是想访问哪个字节就访问哪个字节。而是按倍数进行访问，固定一次访问多少，具体和硬件电路有关。内存对齐会减少计算机读取数据的访问次数，提高数据的读取效率。修改默认对齐数，本质上是用时间换空间，因为硬件电路一次访问多少个字节是固定的。修改默认对齐数只是改变了数据的存储方式。

class A1 
{
public:void f1() {}
private:char _ch;int _a;
};

在这里插入图片描述如上图，在没有内存对齐的情况下，虽然整体占用的空间变小了，但是读取成员变量_a的时候，就非常麻烦，由于硬件电路的原因，不能直接从_a的起始地址开始读取，这就导致需要读取两次，并且还要把第一个读取到的第一个字节给去掉，和第二次读取得到的第一个字节进行拼接，这个过程是十分麻烦的。而左边，在内存对齐的情况下，读取_a只需要读一次即可。

📖结论
内存对齐，浪费了空间，提高了访问效率；没有内存对齐，节省了空间，降低了访问效率。修改对齐数，改变的是数据在内存中的存储方式，机器一次读取多少字节，是由硬件电路决定的。

七、this指针

📖先看一个神奇的现象

//定义一个日期类
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;//定义两个日期类d1.Init(2022, 1, 11);//给d1初始化化d2.Init(2022, 1, 12);//给d2初始化d1.Print();//调用Print函数d2.Print();//调用Print函数return 0;
}

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上面的代码定义了一个日期类Date，接着又定义了两个日期类对象d1和d2，然后用这两个对象分别去调用成员函数Print，上面说过，成员函数是所有对象公有的，只有一份，存放在公共代码区。那就意味着d1和d2调用的是同一个Print函数，既然调用的是同一个，那为什么d1调的时候，打印出来的是d1的日期，d2调的时候，打印的是d2的日期，编译器是如何做到的？？？

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都是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。
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📖结论
虽然d1和d2调用的是同一个函数，但是调用时传递的参数不同，所以最终谁调用，打印的就是谁的结果。我们可以在成员函数中去显式使用this，但是不能在形参或者实参中自己去显式传递this。

📖this指针的特性

  • this指针的类型：类类型* const，即在成员函数中，不能修改this指针的指向。（可以对this指向的内容进行修改）
  • 只能在成员函数中使用。
  • 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藏的指针形参，一般情况下由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递。

📖this指针存在哪里？
this指针是函数的形参，所以this指针和普通的函数形参一样，在函数调用的时候压栈，存在函数调用的栈帧里面。
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📖this指针可以为空嘛？

// 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;
}

上面这段代码，定义了一个A类型的指针p，并把它置为空，然后用这个指针p去调用成员函数，不会发生解引用，因为Print函数的地址不在对象中（要看转换成汇编指令，都干了些啥，这里直接去call成员函数的地址）。p会作为实参传递给this指针。传递空指针不会报错，所以此时成员函数中的隐藏参数this指针，是拷贝的p指针的值，所以此时的形参this指针是nullptr。针对这个题目，首先可以排除掉A选项，因为空指针的问题是属于运行时错误，不可能是编译时错误。这道题目选C，代码可以正常运行，因为，虽然this指针是空，但是在Print成员函数中，我们并没有去访问任何类中的其他成员，这就意味着，我们根本就没有使用这个this指针，所以代码可以正常运行。
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// 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->PrintA();return 0;
}

和上面的代码一样，这段代码的this指针也是nullptr，但是这段代码会运行崩溃，因为在成员函数Print中使用了类中的其他成员_a，这就相当于this->_a，而this是一个空指针，这就成了解引用空指针，所以会运行崩溃。

📖总结
this指针能否为空，要根据具体的情况来定，如果成员函数里使用了类中的其他成员，此时this指针就不能为空。

小Tips：由于非静态成员函数，会有一个隐藏的形参this指针，且该指针不能显式传递，这就导致了不能通过域作用限定符去访问非静态成员函数，即A::Print()是错误的（其中A是一个类名，Print是该类中的一个非静态成员函数），因为无法传递一个合理的值，让形参this去接收。如果Print是静态成员函数，这样写是可以的。（后面的文章会提到）

🎁结语：
 今天的分享到这里就结束啦！今天我们初步认识了一下类和对象，C++中通过类可以将数据以及操作数据的方法进行完美的结合，通过访问权限可以控制那些方法在类外面可以调用，即封装，在使用的时候就像使用自己的成员一样，更符合人们对事物的认知。如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，您的支持就是春人前进的动力！
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