【C++】：类和对象（1）

朋友们、伙计们，我们又见面了，本期来给大家解读一下有关C++中类和对象的知识点，如果看完之后对你有一定的启发，那么请留下你的三连，祝大家心想事成！

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数据结构专栏：数据结构

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1.面向过程和面向对象初步认识

7.3. C语言和C++实现Stack的对比

1.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。

2.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：之前在数据结构初阶中，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。

C语言阶段的栈

typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
	DataType* arry;
	size_t size;
	size_t capacity;
}ST;

void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->arry = NULL;
	//top为-1时，插入一个数据之后top指向的是刚刚插入数据的位置
	//pst->top = -1     
	//top为0时，插入一个数据之后top指向的是刚刚插入数据后面的位置
	pst->size = 0;
	pst->capacity = 0;
}

void STPush(ST* pst, DataType x)
{
	//...
}

void STPop(ST* pst)
{
	//...
}

int main()
{
	ST st;
	STInit(&st);
	STPush(&st, 1);
	STPush(&st, 2);
	STPush(&st, 3);
	STPop(&st);
	return 0;
}

使用C++写的话就可以将栈的接口直接定义到结构体内部

typedef int DataType;
struct Stack
{
	void STInit(struct Stack* pst)
	{
		assert(pst);
		pst->arry = NULL;
		//top为-1时，插入一个数据之后top指向的是刚刚插入数据的位置
		//pst->top = -1     
		//top为0时，插入一个数据之后top指向的是刚刚插入数据后面的位置
		pst->size = 0;
		pst->capacity = 0;
	}

	void STPush(struct Stack* pst, DataType x)
	{
		//...
	}

	void STPop(struct Stack* pst)
	{
		//...
	}

	DataType* arry;
	size_t size;
	size_t capacity;
};


int main()
{
	struct Stack st;
	st.STInit(&st);
	st.STPush(&st, 1);
	st.STPush(&st, 2);
	st.STPush(&st, 3);
	st.STPop(&st);
	return 0;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替struct。

3. 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
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。

3.1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。

【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

C++中struct和class的区别是什么？

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。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。

3.2类定义的两种方式：

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。
class Person
{
public:
	//显示基本信息
	void ShowInfo()
	{
		cout << _name << "_" << _sex << "_" << _age << "_" << endl;
	}

//基本信息
public:
	char* _name;  //姓名
	int _age;     //年龄
	char* _sex;	  //性别
};
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:
//Person.h

class Person
{

//基本信息
public:
	char* _name;  //姓名
	int _age;     //年龄
	char* _sex;	  //性别
};


//Person.cpp

#include "Person.h"

//显示基本信息
void Person::ShowInfo()
{
	cout << _name << "_" << _sex << "_" << _age << "_" << endl;
}
我们一般采用第二种声明和定义分开的写法。

3.3封装

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。比如：对于电脑这样一个复杂的设备，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、内存等一些硬件元件。

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。

4. 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。
class Person
{
public:
	//显示基本信息
	void ShowInfo();
//基本信息
public:
	char* _name[20];  //姓名
	int _age;     //年龄
	char* _sex[10];	  //性别
};

//需要指定是哪个类域
void Person::ShowInfo()
{
	cout << _name << "_" << _sex << "_" << _age << "_" << endl;
}

5. 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。
int main()
{
     Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
     return 0;
}
//Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄
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。
class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day);

	void Print();

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

void Date::Init(int year, int month, int day)
{
	_year = year;
	_month = month;
	_day = day;
}

void Date::Print()
{
	cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}

int main()
{
	// 定义开空间
	Date d1;
	d1.Init(2023, 9, 30);
	d1.Print();

	//实例化多个对象
	Date d2;
	d2.Init(2023, 10, 1);
	d2.Print();

	return 0;
}

6. 类对象模型

6.1 如何计算类对象的大小

class A
{
public:
    //成员函数
    void PrintA()
    {
       cout<<_a<<endl;
    }
private:
//    成员变量
    char _a;
};
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？

6.2类对象的存储方式

方式一：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？

方式二：代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址

方式三：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

那么计算机采用的是哪种方式来进行储存的呢？
// 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 << sizeof(A1) << endl;
	cout << sizeof(A2) << endl;
//  分配1byte，不存储数据，只是占位，表示对象存在过
	cout << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}
结论：

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。

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。

6.3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。

7.this指针

7.1 this指针的引出

首先来定义一个日期类：
class Date
{
public:
	//初始化
	void DateInit(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	//打印
	void DatePrint()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.DateInit(2023, 9, 30);
	d1.DatePrint();

	d2.DateInit(2023, 10, 1);
	d2.DatePrint();
	return 0;
}
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。

7.2this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。
class Date
{
public:
	// this在实参和形参位置不能显示写
	// 但是在类里面可以显示的用
	void DateInit(int year, int month, int day)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
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。

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。

练习题：
// 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;
}
这段代码是可以正常运行的，因为Print这个函数并没有存在对象里面，p->Print()并不会去解引用，他表示的是通过p去公共代码区找对应的函数，并且这里的this指针就是p。

// 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;
        //cout<<this->_a<<ednl; 
   }
private:
 int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}
这段代码运行是会崩溃，因为在传递this指针的时候p是一个空，而在打印的时候需要对this指针解引用，所以就会对空解引用，所以运行崩溃。

7.3. C语言和C++实现Stack的对比

C语言实现：

//对栈的初始化
void StackInit(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;
	//top为-1时，插入一个数据之后top指向的是刚刚插入数据的位置
	//pst->top = -1     
	//top为0时，插入一个数据之后top指向的是刚刚插入数据后面的位置
	pst->top = 0;
	pst->capacity = 0;
}

//入栈
void StackPush(Stack* pst, STDataType x)
{
	assert(pst);
	//检测容量
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int NewCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : 2 * pst->capacity;
		//当pst->a为NULL时执行的功能是和malloc一样
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * NewCapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		pst->a = tmp;
		pst->capacity = NewCapacity;
	}
	//入栈
	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

//出栈
void StackPop(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	//判断栈是否为空
	assert(!StackEmpty(pst));
	//出栈
	pst->top--;
}

//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!StackEmpty(pst));
	//top指向的是栈顶的下一个位置的元素
	return pst->a[pst->top-1];
}

//获取栈中的有效元素的个数
int StackSize(Stack* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->top;
}

//检测栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	/*if (pst->top == 0)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}*/
	return pst->top == 0;
}

//销毁栈
void StackDestroy(Stack* pst)
{
	assert(pst);

	//释放
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	//重置为0
	pst->top = pst->capacity = 0;
}

可以看到，在用C语言实现时，Stack相关操作函数有以下共性：

每个函数的第一个参数都是Stack*

函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL

函数中都是通过Stack*参数操作栈的

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 的方式是分离开的，而且实现上相当复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出错。

C++实现（根据现有的C++知识设计）

//C++实现栈
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	//初始化
	void STInit()
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);
		if (_array == NULL)
		{
			perror("malloc fail!!!");
			exit(-1);
		}
		_size = 0;
		_capacity = 4;
	}

	//判空
	bool STEmpty()
	{
		return _size == 0;
	}

	//入栈
	void STPush(DataType x)
	{
		STCheck();
		//入栈
		_array[_size] = x;
		_size++;
	}

	//出栈
	void STPop()
	{
		assert(!STEmpty());
		_size--;
	}

	//数据个数
	int STSize()
	{
		return _size;
	}

	//栈顶元素
	int STTop()
	{
		assert(!STEmpty());
		return _array[_size - 1];
	}

	//销毁
	void STDestroy()
	{
		free(_array);
		_array = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}

private:
	//检测
	void STCheck()
	{
		if (_size == _capacity)
		{
			int NewCapacity = 2 * _capacity;

			DataType* tmp = (DataType*)realloc(_array, sizeof(DataType) * NewCapacity);
			if (tmp == nullptr)
			{
				perror("realloc fail");
				exit(-1);
			}
			_array = tmp;
			_capacity = NewCapacity;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	int _size;
	int _capacity;
};

int main()
{
	Stack st;
	st.STInit();
	st.STPush(1);
	st.STPush(2);
	st.STPush(3);
	st.STPush(4);
	
	cout << st.STTop() << endl;
	cout << st.STSize() << endl;
	st.STPop();
	cout << st.STTop() << endl;
	return 0;
}

C++中通过类可以将数据以及操作数据的方法进行完美结合，通过访问权限可以控制那些方法在 类外可以被调用，即封装，在使用时就像使用自己的成员一样，更符合人类对一件事物的认知。而且每个方法不需要传递Stack*的参数了，编译器编译之后该参数会自动还原，即C++中 Stack * 参数是编译器维护的，C语言中需用用户自己维护。

朋友们、伙计们，美好的时光总是短暂的，我们本期的的分享就到此结束，最后看完别忘了留下你们弥足珍贵的三连喔，感谢大家的支持！

【C++】：类和对象（1）

1.面向过程和面向对象初步认识

2.类的引入

3. 类的定义

3.1访问限定符

3.2类定义的两种方式：

3.3封装

4. 类的作用域

5. 类的实例化

6. 类对象模型

6.1 如何计算类对象的大小

6.2类对象的存储方式

6.3结构体内存对齐规则

7.this指针

7.1 this指针的引出

7.2this指针的特性

7.3. C语言和C++实现Stack的对比

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