1. 结构化程序设计

${\rm C}$ 语言使用结构化程序设计，在程序设计中满足：程序 = 数据结构 + 算法。结构化程序设计特点是：程序由全局变量以及众多相互调用的函数组成；算法以函数的形式实现，用于对数据结构进行操作。如图为结构化程序设计的程序模式：在这里插入图片描述

图1：结构化程序设计的程序模式

如上图，var是变量、sub表示函数、黑色的线表示函数调用、红色的线表示变量调用。由图可知，在结构化程序设计中，首先是主函数调用各函数；然后各函数又调用其他函数；同时众多函数中可能存在诸多全局变量的调用。则很容易得到结构化程序设计的不足：

结构化程序设计中，函数和其操作的数据结构没有直观的联系；
随着程序规模的增加，程序逐渐难以理解，很难一下子看出来：某个数据结构由哪些程序在对其操作，某个函数在操作哪些数据结构，任何两个函数之间存在怎样的调用关系；
结构化程序设计中没有“封装”和“隐藏”的概念，也即是要访问某个变量时就可以直接访问。但当该变量的定义的有改变时，就要把所有访问该变量的语句找出来修改，这对于大型程序来说就会增加相当大的工作量，也不利于程序的维护和扩充；
难以查错，当某个数据结构出错时不能立即判断是哪个函数调用导致的；
无重用性，在编写程序时，发现需要增加某项功能，而在现有程序中已经实现了相同和类似的功能。但只能重写相关代码；
在结构化程序设计中，随着程序规模的增大，由于程序大量函数、变量之间的关系错综复杂，要抽取这部分代码，变得十分困难。

总而言之，在结构化的程序设计中，随着程序规模的不断扩大，程序会变得难以理解、难以扩充、难以查错、难以重用。而下部分介绍的面向对象的程序设计方法，能够很好地解决上述问题。

2. 面向对象程序设计

${\rm C＋＋}$ 语言使用面向对象程序设计。面向对象程序设计的特点是：将某类客观事物的共同属性归纳出来，形成一个数据结构；将这类事物所能进行的行为也归纳出来，形成一个个函数，这些函数可以用来操作数据结构；然后，通过某种语法格式，将数据结构和操作该数据结构的函数“捆绑”起来，形成一个类。最后，面向对象程序设计的四个基本特点是：抽象、封装、继承、多态。后面的介绍会一步步体现出面向对象程序设计的各个特点。如图为面向对象程序设计的程序模式：在这里插入图片描述

图2：面向对象程序设计的程序模式

如上图，在面向对象程序设计中，程序由主函数以及众多的类组成。各类拥有自己的变量和函数，在主函数中通过生成类的对象来调用类的变量和函数。同时类与类之间也存在相互继承。由此得到，在面向对象程序设计中，满足：程序 = 类 + 类 + 类 + … + 类。下面由一个简单的例子说明面向对象程序设计方法：写一个程序，输入矩形的长和宽，输出面积和周长。
首先，用一个类表示矩形就是将矩形这个东西抽象出来。矩形的属性就是长和宽，用两个变量表示，在类中称之为成员变量；矩形的行为就是求面积和求周长，用两个函数表示，在类中称之为成员函数。二者统称为类的成员。下面是 ${\rm C＋＋}$ 实现代码：`

class CRectangle {
public:
	int w, h;
	int Area() {
		return w * h;
	}
	int Preimeter() {
		return 2 * (w + h);
	}
	void Init(int width, int height) {
		w = width;
		h = height;
	}
};

上面定义了一个矩形类CRectangle，其含有两个成员变量w和h分别表示矩形的宽和高；含有三个成员函数Area()、Preimeter()、Init()分别用于求矩形的面积、周长和给成员变量赋值。下面是类的使用方法，根据键盘输入的矩形宽和高，自动计算器其面积和周长。

int main() {
	int w, h;
	CRectangle r;								// 声明类的对象
	cin >> w >> h;
	r.Init(w, h);								// 通过类的对象调用初始化函数
	cout << r.Area() << endl << r.Preimeter();  // 通过类的对象调用求面积函数和求周长函数
	return 0;
}

3. 使用类的成员

使用类的成员前，首先需要声明类的对象，如上面在main函数中定义的CRectangle类的对象r。使用类的成员即成员变量和成员函数的方式大体分为以下三种：
（1）对象名.成员名

CRectangle r1, r2;	// 声明类的对象r1和r2
r1.w = 5;			// 使用r1对象给w赋值
r2.Init(5, 4);		// 使用r2对象调用初始化函数给w和h赋值

需要注意一点是：Init函数是作用在r2上的，即Init函数执行期间访问的w和h属于r2，这和r1的w是相互独立的。
（2）指针→成员名

CRectangle r1, r2;
CRectangle* p1 = & r1;	// 定义p1指针指向r1对象
CRectangle* p2 = & r2;	// 定义p2指针指向r2对象
p1->w = 5;				// 使用p1指针给w赋值
p2->Init(5, 4);			// 使用p2指针调用初始化函数给w和h赋值

（3）引用名.成员名

CRectangle r;
CRectangle& rr = r;	// 定义rr为对象r的引用
rr.w = 5;
rr.Init(5, 4);		// 由于rr定义为r的引用，随着rr的值改变，r的值也改变

此外，类的成员函数和类的定义可以分开写，具体如下，首先定义类：

class CRectangle {
public:
	int w, h;
	int Area();
	int Perimeter();
	void Init(int width, int height);
};

然后在类外实现函数，其中CRectangle::*表明函数不是普通函数，而是类CRectangle的成员函数。

int CRectangle::Area() {
	return w * h;
}
int CRectangle::Perimeter() {
	return 2 * (w + h);
}
void CRectangle::Init(int width, int height) {
	w = width;
	h = height;
}

4. 总结

${\rm C＋＋}$ 语言的类机制是 ${\rm C＋＋}$ 与 ${\rm C}$ 的根本区别所在。类机制可以使程序员随心所欲地定义自己的数据类型。类编程的过程更符合人的自然思维，因而成为实质性解决问题的方法。由于在面向对象的程序设计中，设计程序的过程就是设计类的过程。所以，只要将每个类的定义清晰化、各类间的调用条理化，就能写出一个漂亮的程序。
最后，引用一段参考中的话概括类：类是一个十分精巧的机制，为了胜任描述数据类型的全方位的能力，还添置了静态数据成员和静态成员函数，使得记录对象们的整体数据不必随单一对象数据而苟合，也不必随单一对象而捆绑操作。类甚至还添加了友元，给予了不同性质的对象之间的亲密无间性。它存在面向对象编程的争议，仿佛编程世界严密性的外在尊严，也强迫着编程内容的内在尊严：不同类型的对象之间也不应有任何情面可言。好在 ${\rm C＋＋}$ 法无定法，关于性能、效率的细节它从来都没有忽略过。

参考

北京大学公开课：程序设计与算法（三）C++面向对象程序设计.
钱能. C++程序设计教程（第二版）[M]. 北京：清华大学出版社，2005.9.

完

（二）C++学习 | 类和对象（1）

文章目录

1. 结构化程序设计

2. 面向对象程序设计

3. 使用类的成员

4. 总结

参考

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