【C++】类和对象 (上篇)(2)

简介: 【C++】类和对象 (上篇)(2)

五、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。

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注意:类域和我们之前学习的命名空间域不同,命名空间域中存放的是变量和函数的定义,而类域中虽然可以定义函数,但对于变量来说,仅仅只是声明,并没有为变量开辟空间,只有用这个类实例化出的对象才会开辟空间;这也就是为什么结构体和类中的成员变量都不能直接初始化,而是必须先定义出变量的原因。

六、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;


例如: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:

2020062310470442.png

20200623104134875.png

七、类对象模型

1、类对象的大小计算

在C语言阶段我们学习了如何计算一个结构体类型的大小,那么对于升级版的结构体 – 类来说,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?我们又如何计算一个类的大小?

class A
{
public:
  void PrintA()
  {
    cout << _a << endl;
  }
private:
  char _a;
};
int main()
{
  cout << sizeof(A) << endl;
}

要想解决上面这两个问题,首先我们得明白类对象的存储方式。

2、类对象的存储方式

早期关于类对象的存储方式一共有三种设计方式;

方式一

对象中包含类的各个成员 – 成员变量与成员函数:

2020062310470442.png

注:函数经过编译后变成一段指令,而这段指令并不存在于对象中,而是存在于一个公共区域 – 常量区 (代码段) 中;所以,同一个类实例化出的不同对象使用的是同一个函数,但是同一个类的不同对象不能共用同一个成员变量,因为每一个对象的成员变量的值都是不同的;另外,通常我们把这段指令中第一条指令的地址作为函数的地址,而类对象中存储的就是这个地址;


缺点:此方法虽然保存了该变量特有的成员变量的地址,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函数的地址,相同地址保存多次,浪费空间。

方式二

成员变量全部保存,另外在对象中保存一份存放代码的区域的地址;也就是说,我们不单独保存每一个函数的地址,而是保存类中所有函数所在的代码段的起始地址,我们通过这地址就可以找到各个函数:

2020062310470442.png

方式三

只保存成员变量的地址,不保存成员函数地址,成员函数直接到公共代码段中去寻找:

2020062310470442.png

现在我们已经知道了方式一太浪费空间不可取,那么到底是采用方式二还是方式三呢?这取决于如果不存储代码段的起始地址,编译器能否找到函数。

实际上,由于函数经过编译后形成的指令是由编译器放置到代码段中去的,所以编译器在调用该函数时也能轻松的找到指令在代码段中所处的位置,并且编译器并也不会将不同类中成员函数所形成的指令混淆;

基于上面这个结论,方式二存储代码段的地址也显得浪费了,因为即使没有这个地址,我们也能高效准确的调用成员函数;所以最终我们选用方法三来存储类对象,即一个类的大小,实际就是该类中 ”成员变量” 之和

我们可以通过下面这个例子来验证我们的结论:

class A
{
public:
  void PrintA()
  {
    cout << _a << endl;
  }
private:
  char _a;
};
int main()
{
  cout << sizeof(A) << endl;
}

2020062310470442.png

我们看到,类A的大小是1,说明只存储了成员变量 _a 的地址,而并没有存储成员函数 PrintA 的地址。

空类的大小

上面我们探讨的是普通类的大小,那么对于一些特殊的类,比如空类或者是只有成员函数,没有成员变量的类,他们的大小是多少呢?是0还是别的值?

class B
{
};
class C
{
  void PrintC()
  {
    cout << "PrintC()" << endl;
  }
  void InitC()
  {
    cout << "InitC()" << endl;
  }
};
int main()
{
  cout << sizeof(B) << endl;
  cout << sizeof(C) << endl;
}

2020062310470442.png

我们可以看到,空类的大小为0,那么为什么不是1呢?因为当我们使用一个空类实例化多个对象时,需要用不同的空间来标识区分它们,所以编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的某一具体对象,该字节不存储有效数据

3、结构体内存对齐规则

在明白了类对象的存储方式之后,我们就需要正式计算类对象的大小了,而类是由结构体演化而来的,并且类的成员函数还不进行存储,所以类大小的计算方式和结构体大小的计算方式完全相同,都需要进行内存对齐;

关于结构体内存对齐的详细知识我在C进阶部分已经发布过文章,所以这里就只简单罗列一下结构体内存对齐规则,关于细节有遗忘的老铁可以回头再复习一下:【C语言】自定义类型详解:结构体、枚举、联合

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 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值,其中VS默认的对齐数为8);

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;

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;

面试题

1、结构体怎么对齐? 为什么要进行内存对齐?


2、如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐?能否按照3、4、5即任意字节对齐?


3、什么是大小端?如何测试某台机器是大端还是小端?有没有遇到过要考虑大小端的场景?


上面这几个面试题在 【C语言】自定义类型详解:结构体、枚举、联合 中也有详细介绍,这里不再赘述。




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