C++——类和对象(了解面向过程和面向对象、初步认识类和对象、类大小的计算、this指针)

类和对象

1. 面向过程和面向对象

在学习C++类和对象之前，我们首先需要搞清楚什么是面向过程，什么是面向对象

1.1 面向过程

我们以前学的C语言就是典型的面向过程的语言。

面向过程编程是一种以过程为中心的编程方法。在这种范式下，程序被划分为一系列函数或过程，这些函数用于解决特定的问题

例如：我们可以将用手洗衣服看作是面向过程的：

• 通过”放水“”手搓“”拧干“等一系列过程来达到将衣服洗干净的目的。

面向过程的语言有如下特点：

• 数据和函数之间通常是分离的，函数对数据进行操作，数据可以是全局的或局部的。
• 面向过程的编程语言常常使用顺序、条件语句和循环来执行任务。

1.2 面向对象

C++、Java、Python等语言都是面向对象的语言。

面向对象编程是一种以对象为中心的编程方法。在这种范式下，程序被组织成一组对象，每个对象包含数据和与之相关的方法。

例如，我们可以将用洗衣机洗衣服看作是面向对象的：

• ”衣服“”洗衣粉“是我们要关注的对象，我们只需要将要处理的对象放入“洗衣机”中，让洗衣机处理即可。
• 而不要关心”洗衣机“具体干了什么和它的工作原理。

面向对象的语言有如下的特点：

• 对象是类的实例，类是定义了对象的属性和方法的蓝图。
• 面向对象编程强调数据封装、继承和多态，这些概念有助于组织和管理复杂的程序。

2. 类和对象

2.1 什么是类

在C语言中，我们有struct类型，我们称之为结构体。例如：

struct Stack
{
  int* st;
  int top;
};

但是，C语言的结构体有如下的局限性，这使得我们在使用时很不方便：

1. 定义结构体变量时，类型名太长。例如我们要定义上面的结构体类型的变量st1：

struct Stack st1;

2. 结构体内只能声明变量，而不能声明和定义函数

为了解决这些问题，C++规定：可以在struct里面声明和定义函数。

例如，在C++中，我们可以这样实现一个栈：

struct Stack
{
  void Init(int capacity)
  {
    _capacity = capacity;
    _st = (int*)malloc(sizeof(int) * _capacity);
    _top = 0;
  }
  void Push(int val)
  {
    if (_top == _capacity)
    {
      _capacity *= 2;
      int* tmp = (int*)realloc(_st, sizeof(int) * _capacity);
      if (nullptr == tmp)
        exit(-1);
      _st = tmp;
    }
    _st[_top++] = val;
  }
  //仅为了展示C++struct里面可以声明和定义函数
  //故其他功能不做展示
  int* _st;
  int _top;
  int _capacity;
};

• 在C++中，我们就称用struct关键字修饰的结构为类
• 同时，C++更喜欢用class来声明类，而不是struct

C++的类由这样的特点：

1. 类名就是类型名。例如：有一个类为class Stack，那么就可以用这个类名定义一个变量st1：Stack st1
2. 类整体定义的是一个作用域（由一对花括号{}包裹起来的就是一个作用域）
3. C++兼容C语言的绝大多数语法，可以说C++的类是C语言struct的升级

2.2 类的定义

类的定义方法为：

//class也可以换为struct
class className
{
    //类体：由成员函数和成员变量组成
};  //注意这个分号

• class/struct为定义类要用到的关键字，className为类名
• 类体中的变量称为类的属性或者成员变量，类体中的函数称为类的方法或者成员函数

2.2.1 声明和定义类中函数的两种方法

方法一——将声明和定义放在一起：

例如：

class Date
{
public:
  void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};

如果将成员函数的声明和定义都放到一起，那就需要注意：该函数可能被编译器认定为inline内联函数

注：如果对inline内联函数不太了解，建议看看👉C++特性——inline内联函数

方法二——将声明和定义分离：

如果采用”在类里面声明函数，在类外面定义函数“的方法，那就需要通过域作用限定符:，将类名和函数名连接起来，用来说明定义的函数是这个类里面的。

例如：

在日常写代码中，我们可以将方法一和方法二结合来定义类：将复杂的、代码量大的函数定义在类外，将频繁使用的、代码简单的函数定义在类里面。这样不仅可以提高效率，而且可以提高代码的可阅读性。

2.2.2 声明成员变量的小细节

我们来看一个Date类的声明：

class Date
{
  void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    {
        year = year;
        month = month;
        day = day;
  }
    void Print()
  {
    cout << "Date-> " << year << ':' << month << ':' << day << endl;
  }
  int year;
  int month;
  int day;
};

我们声明的类成员变量为year, month, day，成员函数Init的三个形参也同样为year, month, day，当我们进行赋值语句的时候，是否可以得到正确的结果呢？

我们对其初始化，并打印：

int main()
{
  Date d1;
  d1.Init(2023, 10, 23);
  d1.Print();
  return 0;
}

output:

Date-> -858993460:-858993460:-858993460

可以看到，并没有得到我们想要的结果。

• 因此，为了防止类似错误的出现，并提高代码的可阅读性
  
• 在C++中，我们一般将内里面的成员变量的名字前加下划线_
  

class Date
{
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};

2.3 访问限定符

我们同样以stack类为例子：

class Stack
{
  void Init(int capacity)
  {
    _capacity = capacity;
    _st = (int*)malloc(sizeof(int) * _capacity);
    _top = 0;
  }
  void Push(int val)
  {
    if (_top == _capacity)
    {
      _capacity *= 2;
      int* tmp = (int*)realloc(_st, sizeof(int) * _capacity);
      if (nullptr == tmp)
        exit(-1);
      _st = tmp;
    }
    _st[_top++] = val;
  }
  //仅为了展示C++struct里面可以声明和定义函数
  //故其他功能不做展示
  int* _st;
  int _top;
  int _capacity;
};

我们将储存数据的数组st，栈顶指针top，栈的最大容量capacity及其相关方法（成员函数）放入stack类后，

• 一般来说，我们并不希望用户能直接修改st、top、capacity的内容，
• 而是希望用户能够调用内里面的方法（成员函数）来间接地改变st、top、capacity，来实现栈的功能
• 就像C语言是通过调用函数来操作栈，而不是直接操作栈的相关参数。

因此为了限制用户访问类成员的权限，C++有了关键字——访问限定符

访问限定符有以下三类：

• public（公有）：public修饰的成员可以在类外直接被访问
• protected（保护）、private（私有）：现阶段我们认为protected和private是没有区别的。被他们修饰的类成员不能在内外访问

2.3.1 访问限定符的作用范围

访问限定符的作用范围：

• 从该访问限定符出现开始
• 到下一个访问限定符出现结束

例如：

class Date
{
public:
  void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1);
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};

Date类里面，成员函数Init被public修饰，可以在类外被访问，成员变量_year、_month、_day被private修饰，不能在类外被访问。

2.3.2 class类和struct类的默认访问权限

需要清楚，如果不在类里面加访问限定符：

• class类的默认访问权限是private
• struct类的默认访问权限是public

例如：

class Date
{
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  Date d1;
  d1._year = 1;
  return 0;
}
//会报错：无法访问 private 成员(在“Date”类中声明)
//这就说明了：class类的默认访问权限就是private
//而如果将class改为struct，那么就可以正常运行

2.4 类的实例化

用类定义一个对象的过程就叫做类的实例化

需要注意：

• 当我们只是声明一个类时，这个类是并不会占据任何空间的。因为类里面只是对各成员的声明，而没有开辟任何空间
• 只有当我们用类实例化出一个对象，我们才可以对类成员进行引用等操作。
• 一个类可以实例化多个对象

例如：

struct Date
{
  int _year = 1;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  Date._year = 1;
    //会报错：error C2059: 语法错误:“.”
  return 0;
}

我们也可以将类比作是构造图，将对象比作是房子，来理清二者之间的关系：

• 构造图只是一张图纸，不会占据土地空间——类只是对成员的声明，不会开辟空间
• 由构造图建造出的房子会占用实际的土地空间——由类实例化出的对象会开辟空间来存储各成员
• 一张构造图可以建造出许多房子——一个类可以实例化多个对象

2.5 类大小的计算

当类中没有成员函数时，类所占空间的大小遵循C语言结构体大小的计算规则：

• 结构体的第一个成员永远放在相较于结构体变量起始位置偏移量为0的位置
  
• 从第二个成员开始，往后的每个成员都要对齐到某个对齐数的整数倍处
  - 对齐数：结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值
  
• 结构体的总大小必须是最大对齐数的整数倍
  - 最大对齐数：所有成员的对齐数中的最大值
  

例如：

class Grade
{
  int _number;
  double _math;
  float _chinese;
};
int main()
{
  cout << sizeof(Grade) << endl;
  return 0;
}

output:

24

注：如果对于结构体大小的计算不了解，建议看看👉C语言结构体详解

但是，如果类里面有成员函数呢？这个类的大小又是多少呢？

例如：

struct Date
{
  void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1);
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  cout << "sizeof(Date) -> " <<  sizeof(Date) << endl;
  return 0;
}

要搞清楚C++类的大小到底怎么计算，我们首先就要搞清楚类对象的存储方式到底是怎么样的。

2.5.1 类对象的存储方式

让我们来思考一个问题：

用一个类创建多个对象时，类中的成员变量需要多开辟一份吗？类中的成员函数需要多开辟一个吗？

如果想不清楚，我们仍可以用建房子来类比：

• 将房子中的卧室、厕所、厨房等私用设施比作是成员变量；将房子外的公园、亭子等公用设施比作是成员函数
• 显然，当我们用一份构造图建造多个房子时，房子的厕所、卧室肯定是要重新新建的，而房子外的公园、亭子用原来的就好

用类实例化多个对象也是如此：不同的对象所包含的成员变量为各自所有，需要重新开辟，而成员函数是这些对象共有的，不要开辟。

因此，类对象的存储方式应该是这样的：

类对象只存储成员变量，而成员函数放在公共代码区

既然类对象的成员变量并不和成员函数存放在一起，那么自然计算类的大小时，也就不需要考虑成员函数了。

所以：

struct Date
{
  void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1);
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
//Date类所占大小就是12

那么，空类的大小又是多少呢？

class Test
{
};

C++规定：空类的大小为1，这个字节不存储有效数据。用来标识定义的对象存在过

可以总结：

• 空类的大小为1个字节
• 类的大小实际上是“成员变量的大小之和”（注意内存对齐）
• 成员函数存放在公共代码区，不用计算

2.6 this指针

看下面的代码：

class Date
{
public:
  void Init(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  Date d1, d2;
  d1.Init(2023, 10, 23);
  d2.Init();
  return 0;
}

上面的代码中，我们定义了类Date，同时示例化了两个对象d1, d2

现在就要问大家一个问题：既然这两个对象用的都是同一个Init（）函数，那编译器是怎么知道他要处理的是d1的成员变量还是d2的成员变量？

C++通过引入this指针来处理这个问题：

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。

上面的Init()函数和d1.Init(2023, 10, 23);实际上等价于：

void Init(Date* this, int year = 1, int month = 1, int day = 1)
{
    this->_year = year;
    this->_month = month;
    this->_day = day;
}
d1.Init(&d1, 2023, 10, 23);

2.6.1 this指针的特性

1. this指针被*const修饰：* const this。表示：不能修改this指针的指向（this至指向当前对象），但是可以修改this指针指向空间的值（可以通过this指针访问成员变量）
2. 不能写this相关的形参或实参，但是可以在类的成员函数里面显示的使用
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指针可以为空

最后，我们用一道题来结束本篇文章：

#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
public:
  void Print1()
  { 
    cout << "Print()" << endl;
  }
  void Print2()
  {
    cout << _a << endl;
  }
private:
  int _a;
};
int main()
{
  Test* t1 = nullptr;
    t1->Print1(); //Yes or Not ?
  t1->Print2(); //Yes or Not ? 
  return 0;
}

大家认为这个程序会得到什么结果呢？

我们来进行调试：

为什么会出现这种情况呢？

• 我们定义了一个指向Test类对象的指针t1，但将其赋为空指针nullptr
  
• 函数Print1()并没有访问类成员变量，而且成员函数存放在公共代码区，因此尽管this指针为空，我们也可以正常使用Print1()
  
• 函数Print2()实际上可以写为：

void Print2(Test* this)
{
    cout << this->_a << endl;
}

• 由于this指针为空，空指针并不指向任何有效数据，显然就会发生错误。

3. 总结

本次我们对类和对象进行了初步的了解和学习：知道了面向过程和面向对象的基本概念，知道了类的定义和类的实例化等相关概念和操作。

但C++类和对象的知识远不止于此。后面我们将继续学习关于类和对象的构造函数、析构函数、拷贝函数、运算符重载的知识，感兴趣的小伙伴可以订阅此专栏。

👉C++教程