4.2 封装

【面试题】

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

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。

对于计算机使用者而言，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，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。

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。

5.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:
  void PrintPersonInfo();
private:
  char _name[20];
  char _gender[3];
  int _age;
};
// 这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
  cout << _name << " " << _gender << " " << endl<< _age << endl;
}

6.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。

类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。

谜语： " 年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈 " 谜底：山羊

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。

7.类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

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？

来看一个题，下面的计算结果是什么？

class Person
{
public:
  void PrintPersonInfo();
private:
  char _name[20];
  char _gender[3];
  int _age;
};
// 这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
  cout << _name << " " << _gender << " " << endl<< _age << endl;
}
int main()
{
  Person per;
  cout << sizeof(per) << endl;
  return 0;
}

我们可能会想：成员方法究竟算不算呢？

我们来运行一下：

如果不算成员方法的话好像结果就是28呀，那类里面没有成员方法吗？

类里面是不会包含成员方法的，成员方法又到哪里去了？

成员方法存放在公共的代码段。这样就很好的解释了为什么上面的结果时28而不是其他值。

再来练习练习几个题：

// 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
{};

上述的结果分别是：4 1 1

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。

7.2 结构体内存对齐规则

我们再来回忆一下C语言结构体是如何对齐的：

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，VS中默认的对齐数为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？

解答：第一个问题如上。

1. 平台原因 ( 移植原因 ) ：

不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

2. 性能原因：

数据结构 ( 尤其是栈 ) 应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

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？

解答：可以修改默认对齐数，用#pragma pack( ) 来修改默认对齐数。

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

解答：大端：数据的低权值位保存在高地址，数据的高权值位保存在低地址；

小端：数据的低权值位保存在低地址，数据的高权值位保存在高地址；

测试大小端的参考代码：

int check_system()
{
  int a = 1;
  return *((char*)&a);
}
int main()
{
  if (1 == check_system())
    cout << "小端" << endl;
  else
    cout << "大端" << endl;
  return 0;
}

至于要考虑大小端的场景像C语言结构体位段好像就有考虑该机器是大端字节序还是小端字节序（有关其他的内容欢迎大佬在评论区补充）。

8.this指针

8.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

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;
 d1.Init(2022,1,11);
 d2.Init(2022, 1, 12);
 d1.Print();
 d2.Print();
 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。

8.2 this指针的特性

1. this 指针的类型：类的类型 * 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

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。

注意：

1 调用成员方法时不能够显示传实参给this

2 定义成员方法时不能够显示声明形参this

3 在成员函数内部我们可以显示使用this，（这个在后面我们返回一个对象时很有用）

小问题：this指针在哪里？

一般来说，this指针是放在栈上的，但是有些编译器会放在寄存器中.（如VS)

来看看两个经典题：

// 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;
}

// 2.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;
}

大家可以自己先做做。

第一个程序会奔溃吗？

我们发现该程序并没有对this指针解引用，因为PintA（）方法没有调用该类的成员变量。

再来看看第二个程序，该PintA（）方法对this指针进行了解引用，而这里的this表示nullptr,所以程序就会崩溃

8.3. C语言和C++实现Stack的对比

1. C语言实现

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;
}

具体详情可以参考这篇博客：栈和队列

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。

2. C++实现

typedef int DataType;
class Stack
{
public:
 void Init()
 {
 _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
 if (NULL == _array)
 {
 perror("malloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 _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 0 == _size;}
 int Size(){ return _size;}
 void Destroy()
 {
 if (_array)
 {
 free(_array);
 _array = NULL;
 _capacity = 0;
 _size = 0;
 }
 }
private:
 void CheckCapacity()
 {
 if (_size == _capacity)
 {
 int newcapacity = _capacity * 2;
 DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
sizeof(DataType));
 if (temp == NULL)
 {
 perror("realloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 _array = temp;
 _capacity = newcapacity;
 }
 }
private:
 DataType* _array;
 int _capacity;
 int _size;
};
int main()
{
 Stack s;
 s.Init();
s.Push(1);
 s.Push(2);
 s.Push(3);
 s.Push(4);
 printf("%d\n", s.Top());
 printf("%d\n", s.Size());
 s.Pop();
 s.Pop();
 printf("%d\n", s.Top());
 printf("%d\n", s.Size());
 s.Destroy();
 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。

9 总结

本篇博客介绍了什么是面向对象，什么是类，以及类的定义，访问限定符，封装等等，还介绍了什么是this指针，内容比较多，也有点儿杂，但是都是一些比较好理解的知识点，至于类的6个默认成员函数我们将放在下一篇博客来讲，好了，大佬们我们下期在见。

【类和对象（上）】（二）

4.2 封装

5.类的作用域

6.类的实例化

7.类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

7.2 结构体内存对齐规则

8.this指针

8.1 this指针的引出

8.2 this指针的特性

8.3. C语言和C++实现Stack的对比

9 总结

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