【C++】程序员必备知识：认识类与对象

①.面向过程和面向对象

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。
比如洗一件衣服：注重过程
首先需要拿个盆子—放水–放衣服–放洗衣粉–手搓–再换水–再放洗衣粉–手搓–然后拧干–最后晒衣服。

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，靠对象之间的交换完成。
比如用洗衣机洗衣服：注重的是对象之间的关系
总共有四个对象：人，衣服，洗衣粉，洗衣机，
整个洗衣服的过程：人将衣服放进洗衣机，倒入洗衣粉，启动洗衣机，洗衣机就会自动完成洗衣过程并甩干。

而整个过程主要是：人，衣服，洗衣粉，洗衣机四个对象之间交换完成的，人不需要关系洗衣机具体是如何洗衣服的，是如何甩干的。

②.类的引入

C语言结构中只能定义变量，在C++中结构体内不仅可以定义变量，还可以定义函数。
比如用C语言写的栈，结构体中只能定义变量，而用C++写的栈，结构体里可以定义函数。
而C++中，结构体的定义，更喜欢用class来替代。

typedef int DataType;
struct stack//在C++中更喜欢用class来定义
{void Init(){_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);if (_array == NULL){perror("malloc");}_capacity = 3;_size = 0;}void Push(DataType data){CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}void Pop(){if (Empty()){return;}--_size;}DataType Top(){return _array[_size - 1];}int Empty(){return _size == 0;}int Size(){return _size;}void Destroy(){if (_array){free(_array);_array = NULL;_capacity = 0;_size = 0;}}DataType* _array;int _capacity;int _size;
};

③.类的定义

class name
{//类的成员：//1.成员变量和2.成员函数构成
};
//注意后面有分号

1.class为定义类的关键字，name为类的名字，{}里是类的成员主体，注意类定义结束后面要加上分号。
2.类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。

Ⅰ.定义方式

  类的两种定义方式：

1.声明和定义全部放在类体中。
要注意：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。

2.类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，声明和定义分开。
注意：成员函数名前需要加类名和域作用限定符。

Ⅱ.命名规则建议：

你们看下面这段代码是不是很别扭，看起来有歧义似的。
初始化函数形参和成员变量名字相同时，就会搞不清到底year赋给year，哪个year是形参哪个year是成员变量。

class Data
{
public:void Init(int year, int month, int day){year = year;//看起来是不是有点懵month = month;//这里到底哪个才是形参哪个才是成员变量呢？day = day;}private:int year;//年int month;//月int day;//日
};

所以我们建议对成员变量进行统一命名，可以在每个成员变量名字前加上_,比如：

class Data
{
public:void Init(int year, int month, int day){_year = year;//看起来是不是有点懵_month = month;//这里到底哪个才是形参哪个才是成员变量呢？_day = day;}private:int _year;//年int _month;//月int _day;//日
};

这样就可以很容易的看出来，哪个是形参哪个是成员变量了。

④.类的访问限定符及封装

Ⅰ.访问限定符

C++实现封装的方式：用类将对象的属性和方法结合在一块，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被之间访问。
• 2.protected和private修饰的成员在类外不能被直接访问
• 3.访问权限作用域从该访问限定符出现的位置开始，到下一个访问限定符出现的位置为止。
• 4.如果后面没有访问限定符，则作用到类结束为止。
• 5.class定义的类默认访问权限是private，而struct定义的类默认访问权限是public，因为C++要兼容C。

【问题】
C++中的struct和class区别是什么？
1.C++需要兼容C，所以struct可以定义结构体
2.struct也可以定义类
3.默认的访问权限不同，struct默认访问权限是public。class默认访问权限是private。

Ⅱ.封装

我们知道面向对象有三大特点：封装，继承，多态。

而在类和对象中，主要研究的是类的封装特性，什么是封装呢？

封装：就是将数据和操作数据的方法，有机结合起来。隐藏对象的属性和实现细节，进对外公开接口来和对象进行交互。

封装本质上是一种管理，让用户更方便的使用类。
比如：对于电脑这样复杂的设备，提供给用户的就只有开关机键，通过键盘输入，显示器，USB接口等，让用户和计算机进行交互，完成日常工作。但实际上电脑真正工作的是CPU，显卡，内存等一些硬件元件。
对于计算机的使用者来说，不需要理解计算量内部元件是如何工作的，如何布局的。用户只需要知道如何开机，这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产时，在外面套上壳子，在内部将实现细节隐藏起来，仅仅对外提供开关机，鼠标和键盘等，让用户与计算机进行交互即可。

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的实现细节，从而控制那些方法可以在类外被直接使用，哪些方法在类外无法直接使用。

⑤.类的作用域

类定义了一个新的作用域，类中所以成员都在类的作用域中。
在类外定义成员时，需要使用：：域作用操作符来指明成员属于哪个类域。

class A
{
public:void Print();private:int _a;
};void A:: Print()//需要使用::域操作符先指明Print这个函数属于A这个类的类域内部，这样才可以使用。{cout << _a << endl;}int main()
{A a1;a1.Print();
}

⑥.类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

1.类是对对象的一种描述，是一个模型，图纸一般的对象，他限定了类有那些成员。定义一个类，并没有给这个类分配空间，也就是说当声明定义一个类时，并没有开辟空间，声明定义只是对这个类进行限定有哪些成员而已。
比如入学时填写的学生信息表，表格就可以看成一个类，来描述具体学生的信息。
2当一个类实例化出对象时，才开辟了空间，这个对象占用了实际的物理空间，存储类成员变量，一个类可以实例化出多个对象。

class A
{
public:void Print(){cout << "Print" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{ A._a=10;//这种是错误的A是类，类是用来描述对象信息的。//类本身是没有空间存储的。这里不能通过类来对_a访问。//上面A类中对_a只是声明，只有定义了对象，才可以使用_a.//因为对象才开辟了实际物理空间return 0;
}

A类是没有空间的，只有A类实例化出来的对象才具备存储_a的能力。
3.类实例化出来的对象就像现实中使用建设设计图建造出来的房子，类就是设计图，是用来设计出需要什么东西，但是没有实体的建筑存在，也就是没有空间存储。根据类设计出来的房子才具备存储空间。即实例化出来的对象才能实际存储数据，占用物理空间。

⑦.类的对象大小计算

Ⅰ.如何计算？

class A
{
public:void Print(){cout << "Print" << endl;}
private:int _a;
};

一个类中既有成员变量又有成员函数，那么一个类的对象大小是多少呢？一个类的大小是多少呢？

我们根据下面三种情况来分析一下：

//第一种1.类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:void f1(){}
private:char _ch;int _a;double _d;
};//第二种：类中只有成员函数
class A2 {
public:void f2(){}
};//第三章类中什么都没有
class A3
{};int main()
{cout << sizeof(A1) << endl;cout << sizeof(A2) << endl;cout << sizeof(A3) << endl;
}

结果：

我们分析发现第一中情况，类的大小就是类成员变量的大小，并没有将成员函数大小计算进去。

而当空类时，空类的大小竟然是1.
不过我们可以根据第一种情况来推断类对象存储方式是如何存储的。

Ⅱ.类对象存储方式

类对象中只保存了成员变量，而成员函数并没有在对象中，成员函数存放在一个公共的代码端。

为什么要这样设计呢？

Ⅲ.原因：

如果将成员函数都放入对象里那么对象大小会变得很大。
虽然每个对象输入成员变量不同，但都是调用的同一份函数，如果按这样的方式存储，当一个类创建多个对象时，每个对象都会保存一份代码，相同的代码被保存多次，就浪费空间了。

Ⅳ.总结：

• 1.一个类的大小，实际上就是该类中成员变量之和，当然要按照内存对齐原则计算。
• 2.当类为空类时，必须要给1字节用来占位，用来标识这个类的对象。
• 3.对象中是不存储成员函数的，所有成员函数不在对象里。 对象调用成员函数，并没有访问对象内部，只是去调用一个公共代码段的函数而已。

这里再总结一下结构体内存对齐规则：

• 1.第一个成员直接放在结构体偏移量为0的地址处。

• 2.剩下的成员需要对齐到对齐数的整数倍的地址处。 对齐数:默认对齐数和该成员大小中较小值。 VS中默认对齐数是8.

• 3.结构体的最终大小是，最大对齐数(所以变量类型中最大者与默认对齐数)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。

至于为什么要内存对齐，就是为了提高读取效率。
如果内存不对齐的话，读取一个变量可能需要读取2次。
而内存对齐的话，读取该变量可能就需要一次即可。

⑧.类成员函数的this指针

Ⅰ.引入

我们来看下这段代码

class Data
{
public:Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1){_year = year;_month = month;_day = day;}void Print(){cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;}
private:int _year=1;int _month=1;int _day=1;
}
int main()
{Date d1, d2;d1.Init(2023,4,28);d2.Init(2023,5,1);d1.Print();d2.Print();return 0;

这里 定义了两个对象d1，d2.
给d1，d2初始化后分别打印d1，d2.

但有这样一个问题：
Data类中有两个成员函数Init ，Print，函数体中没有关于不同对象的区分，那当d1调用Init函数时，该函数是如何知道是d1调用它的呢？它是如何知道应该设置d1对象，而不设置d2对象呢？

同理，d1，和d2分别调用Print函数，d1和d2都没有给函数传参，那么Print函数是如何知道要打印d1还是打印d2的呢？

C++中通过引入this指针解决该问题，即C++编译器会给每个”非静态的成员函数“增加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），在函数体中所有的成员变量的使用操作都是通过该指针去访问的。只不过不会显示出来，所有的操作对用户都是透明的，用户不需要传递，编译器自动完成传递

Ⅱ.特性

• 1.this指针的类型： 类+ const，即成员函数中，不能修改this指针指向的值。
• 2.只能在"成员函数"的内部使用，形参部分也不能显示出来。
• 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，将对象的地址作为实参传递给this形参。所有this指针是不存在在 对象里的，this指针是存储在栈上的。对象里是不存储this指针的。
• 4.this指针是成员函数第一个隐含的指针形参，一般情况下由编译器通过寄存器自动传递，不需要用户传递。
  

Ⅲ.练一练

练一练看看你对this指针的理解是否到位。

下列代码会出现什么结果呢？
是正常运行还是死循环还是程序死掉了呢？
1.

class A
{
public:void Print(){cout << "Print" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;p->Print();
}

答案正常运行。
类定义了一个指向对象的指针。但该指针为空指针。
然后调用了Print函数。可能有人会像p不是空指针吗，这里不是访问空指针吗？
当然不是，因为成员函数Print不在对象里面，并且Print函数里面也没有访问对象内部，根据p来访问的并没有进入对象内部。并没有访问对象。

1.p调用Print，不会发生解引用，因为Print的地址不在对象中，p会作为实参传递给this指针。
2.this指针是空的，但是函数内并没有对this指针解引用。

class A
{
public:void Print(){cout << _a << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;p->Print();
}

答案：程序死掉了。
为什么呢？
要注意这里的Print函数跟上面的不一样喔，这里是打印成员变量_a.
这里就是非法访问了。因为根据p来访问Print函数时，而Print函数里面访问了对象的成员变量，因为对象是一个空指针，所有是非法访问了，如果从this指针方面来看就很清楚了。

1.p调用Print，不会发生解引用，因为Print的地址不在对象中，p会作为实参传递给this指针
2.this指针是空的，但是函数内访问了_a,本质是this_a,也就是访问了空指针。

⑨.C/C++栈的实现不同比较

1.C语言实现栈：

typedef int DataType;
typedef struct Stack
{DataType* array;int capacity;int size;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{assert(ps);ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);if (NULL == ps->array){assert(0);return;}ps->capacity = 3;ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{assert(ps);if (ps->array){free(ps->array);ps->array = NULL;ps->capacity = 0;ps->size = 0;}
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{if (ps->size == ps->capacity){int newcapacity = ps->capacity * 2;DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->array,newcapacity * sizeof(DataType));if (temp == NULL){perror("realloc申请空间失败!!!");return;}ps->array = temp;ps->capacity = newcapacity;}
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{assert(ps);CheckCapacity(ps);ps->array[ps->size] = data;ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{assert(ps);return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)
{if (StackEmpty(ps))return;ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{assert(!StackEmpty(ps));return ps->array[ps->size - 1];}
int StackSize(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->size;
}
int main()
{Stack s;StackInit(&s);StackPush(&s, 1);StackPush(&s, 2);StackPush(&s, 3);StackPush(&s, 4);printf("%d\n", StackTop(&s));printf("%d\n", StackSize(&s));StackPop(&s);StackPop(&s);printf("%d\n", StackTop(&s));printf("%d\n", StackSize(&s));StackDestroy(&s);return 0;
}

我们可以看到在C语言实现栈时，相关函数有以下特性：

• 1.每个函数的第一个参数都是Stack*
• 2.函数中必须要对第一个参数检查，因为该参数可能为NULL
• 3.函数中都是通过Stack参数操作栈的。*
• 4.调用时必须传递Stack结构体变量的地址。

结构体中只能定义存放数据的结构，操作数据的方法不能放在结构体中，即数据和操作数据的方法是分离的，并且实现方法非常复杂。
涉及许多指针操作，很容易出错。

2.C++实现栈

struct stack//class可以定义一个类
{
public://访问限定符void Init(){_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);if (_array == NULL){perror("malloc");}_capacity = 3;_size = 0;}void Push(DataType data){CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}void Pop(){if (Empty()){return;}--_size;}DataType Top(){return _array[_size - 1];}int Empty(){return _size == 0;}int Size(){return _size;}void Destroy(){if (_array){free(_array);_array = NULL;_capacity = 0;_size = 0;}}
private://访问限定符void CheckCapacity(){if (_size == _capacity){int newcapacity = _capacity * 2;DataType* temp =(DataType*)realloc(_array, sizeof(DataType) * newcapacity);if (temp == NULL){perror("realloc");}_array = temp;_capacity = newcapacity;}}
private://访问限定符DataType* _array;int _capacity;int _size;
};
int main()
{stack s;//定义一个对象s.Init();s.Push(1);s.Push(2);s.Push(3);s.Push(4);s.Push(5);printf("%d\n", s.Top());printf("%d\n", s.Size());s.Pop();s.Pop();printf("%d", s.Top());s.Destroy();return 0;
}

而在C++中通过类就可以将数据和操作数据的方法进行完美的结合。再通过访问权限可以去控制在类外可以调用的方法。即封装。在使用时就像使用自己的成员一样。
而且每个方法不需要传递Stack参数了，编译器自己会将参数还原。即C++中Stack是编译器自动传给函数的，不需要用户自己传。