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【C++】类和对象(上)

2023-10-10 27

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简介： 【C++】类和对象(上)

面向对象和面向过程

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

例如洗衣服：C语言关注的是过程。

C语言的思想

C++的思想

这就是面向对象和面向过程的区别

类

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。

typedef int DataType;
struct Stack
{
  void Init(size_t capacity)
  {
    _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
    if (nullptr == _array)
    {
      perror("malloc申请空间失败");
      return;
    }
    _capacity = capacity;
    _size = 0;
  }
  void Push(const DataType& data)
  {
    // 扩容
    _array[_size] = data;
    ++_size;
  }
  DataType Top()
  {
      return _array[_size - 1];
  }
  void Destroy()
  {
    if (_array)
    {
      free(_array);
      _array = nullptr;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
  DataType* _array;
  size_t _capacity;
  size_t _size;
};

上面的结构体定义在C++中更喜欢用class来代替。

1.类的定义

class className
{
  //类体(由成员函数和变量组成)  
};//注意这里有分号

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。

2.类的两种定义方式

1.1 成员函数声明和定义都放在类中

注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将其当作内联函数处理。

1.2 声明和定义分离

一般在项目中，声明和定义都是分离的，之所以这么做，有两种原因，其一就是方便阅读，其二就是为了防止源码泄露。所以我们以后尽量都使用这种。

3.成员变量的命名建议

我们看下面一个例子

//假设我们要定义一个日期类
class Date
{
public:
  void Init(int year, int month, int day)//在初始化的过程中就会出现这种不方便区分的情况，虽然语法上没有问题。
    {
        year = year;
        month = month;
        day = day;
    }
private:
  int year;
    int month;
    int day;
};

所以类中成员变量定义的时候，我们一般在命名时使用一些区分手段，比如定义成"_year,_month,_day"或者"year_,\month_,day_"或者"mYear,mMonth,mDay"等，一般这种命名规则时看公司的要求，加个前缀或者后缀以示区分就可以了。

4.类的访问限定符和封装

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。

这个选择性就是通过访问限定符实现的。

其中public修饰的成员可以在类外面直接访问；
protected和private在类外不能被直接访问(关于protected和private的区别我们以后再说)；
访问权限的作用域从该访问限定符出现开始到下一个访问限定符出现或者类结束为止；
class和struct的区别：class默认访问权限为private，struct的默认访问权限是public(这是为了兼容C语言)；

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

封装

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，所有成员都在这个作用域中，在类外定义类的成员的时候，需要使用::作用域操作符指明成员属于哪个类。

class Stack
{
public:
    void Init(int N = 4);
private:
    int* _a;
    int _size;
    int _capacity;
};
void Stack::Init(int N)//这里要使用::
{
    //实现函数
    //...
}

6.类的实例化

class Date
{
public:
    Init();
    //...
private:
  int _year;
    int _month;
    int _day;
};
//上面我们定义了一个类
int main()
{
    Date.Init();//这是错误的
    return 0;
}

对于上述的错误，我们可以类比C语言中的如下错误

struct Stack
{
  int* a;
    int size;
    int capacity;
};
int main()
{
    Stack.size = 0;//这里也是错误
    return 0;
}

这中错误本质上就是我们只定义了类和结构体，他们本身在内存中没有位置，就是不占用内存，变量是不存在的，需要使用其定义变量，然后对变量进行操作。打个比方，定义的类和结构体就是建房子使用的蓝图不占用空间，定义的变量就是建好的房子，是占用空间的。

在C++中，这种使用类定义变量的操作叫做类的实例化，实例化出来的变量叫做对象，一个类可以实例化出多个对象。

7.类对象模型

7.1类对象的存储方式

类比C语言，类的属性，也就相当于结构体的成员，所以存储方式和C语言是相同的，但是C语言中并没有成员函数，我们无法对标，那么成员函数的存储的位置在哪里呢？

我们实例化类之后会创建多个对象，这些通过同一个类实例化出来的对象的方法都是相同的，所以调用的是同一个函数，所以只需要存储一个函数地址即可，C++的实现方式就是对象中只存放成员变量，成员函数放在一个公共的代码区，对象使用的时候直接调用即可。如下图：

7.2类对象的大小计算

类中既有成员变量又有成员函数的时候：由于成员函数存放在公共的代码区，所以对象的大小不计算成员函数，只计算成员变量，和C语言中的结构体的计算方法相同，都需要考虑内存对齐；
类中只有成员变量或者类是空类的时候，需要一个字节的大小用于占位，证明这个类的存在，否则我们使用这个类实例化对象的时候，就会出现问题。

8.this指针

首先我们在这里定义一个日期类(Date)，请记住这个类，我们以后会经常用到它

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;
  int _month;
  int _day;
};

现在我们看下面一段代码和运行结果：

这时候就会有一个疑问：为什么d1和d2调用的都是同一个Init和Print，但是执行完之后的结果却不相同呢？

这是因为在函数中有一个隐藏的变量，这个变量就是this（这个this的类型是Date* const ，用于保护this存放的地址不变），在函数调用的时候，编译器会自动传入一个参数，就是对象的地址。

this指针的一些特性

this指针的类型：类类型 const*，即成员函数中，不能给this指针赋值。

只能在“成员函数”的内部使用

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。

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：我们不能在传参的时候自己传对象的地址，不能在成员函数定义的过程中显示的写出this这个参数，这些都是靠编译器自动完成的，但是我们在成员函数中可以使用this这个变量。

s指针赋值。

只能在“成员函数”的内部使用
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。
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