【C++练级之路】【Lv.2】类和对象(上)(类的定义,访问限定符,类的作用域,类的实例化,类的对象大小,this指针)

简介: 【C++练级之路】【Lv.2】类和对象(上)(类的定义,访问限定符,类的作用域,类的实例化,类的对象大小,this指针)

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。

一、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。

image.png

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。

image.png

二、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: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

struct Stack
{
  void Init(int capacity = 4)
  {
    int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
    if (tmp == nullptr)
    {
      perror("malloc fail");
      return;
    }
    _a = tmp;
    _capacity = capacity;
    _top = 0;
  }
  //...

  int* _a;
  int _top;
  int _capacity;
};

简单理解:C中的结构体,C++将其升级成了类

  • 上面结构体的定义,在C++中更喜欢用class来代替

三、类的定义

class className
{
// 类体:由成员函数和成员变量组成
};
  • 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

类的两种定义方式

  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。

stack.h

class Stack
{
  void Init(int capacity = 4)
  {
    int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
    if (tmp == nullptr)
    {
      perror("malloc fail");
      return;
    }
    _a = tmp;
    _capacity = capacity;
    _top = 0;
  }
  //...

  int* _a;
  int _top;
  int _capacity;
};
  1. 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::

stack.h

class Stack
{
  void Init(int capacity = 4);
  //...

  int* _a;
  int _top;
  int _capacity;
};

stack.cpp

void Stack::Init(int capacity)
{
  int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
  if (tmp == nullptr)
  {
    perror("malloc fail");
    return;
  }
  _a = tmp;
  _capacity = capacity;
  _top = 0;
}
  • 一般正式的工程中,都使用第二种声明和定义分类的写法,所以推荐往后都用第二种定义方法。

成员变量命名规则的建议

  • 建议加上前缀或者后缀,以示区分成员函数的形参。

四、类的访问限定符及封装

4.1 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

  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

【面试题】

问题:C++中struct和class的区别是什么?

解答: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。(注意: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。)

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。

五、类的作用域

类定义了一个新的作用域——类域,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 << " " << _age << endl;
}

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
  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内存空间,存储类成员变量

简单理解:类是造别墅的蓝图,实例化出的对象就是造出的别墅。

class Date
{
public:
  void Init(int year, int month, int day);

private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};

int main()
{
  Date d1;//类的实例化
  return 0;
}

七、类的对象大小的计算

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?

7.1 类对象的存储方式猜测

  1. 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

  1. 代码只保存一份,在对象中保存存放代码的地址

  2. 只保存成员变量,成员函数存放在公共的代码段

问题:对于上述三种存储方式,那计算机到底是按照那种方式来存储的?

7.2 如何计算类对象的大小

我们进一步分析以下代码:

// 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;
  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(猜测3),当然要注意内存对齐(详情可见往期自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)

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。

八、类成员函数的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;
  int _month;
  int _day;
};

int main()
{
  Date d1, d2;
  d1.Init(2023, 12, 3);
  d1.Print();
  d2.Init(2022, 1, 3);
  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。

请看以下画图分析:

编译器处理前:

编译器处理后:

实际上,底层在汇编指令中,除了传三个参数,还将对象的地址传送过去(lea——load effective address 加载有效地址)。

8.2 this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。
void print()
{
  cout << typeid(this).name() << endl;
  cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}

  1. 只能在“成员函数”的内部使用
  2. 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。
  3. 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

【面试题】

1. this指针存在哪里?

2. this指针可以为空吗?

解答1:栈,因为this是隐含形参 / VS平台是通过ecx寄存器

解答2:请先分析下面代码:

// 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;
}

答案:1正常运行,2程序崩溃。很多人可能会有疑惑,这是为什么呢?

其实,this指针能不能为空,取决于实际需求是否需要解引用。代码1直接打印,则不需要解引用,所以能正常运行;而代码2要打印成员变量_a,则需要解引用,所以会崩溃。(所以下次遇到->操作符,不要认为一定会解引用哦)

总结与对比

C:

  1. 数据和方法是分离的
  2. 数据访问控制是自由的,不受限制的

C++:

  1. 数据和方法都封装在类里面
  2. 控制访问方式。愿意让你访问公有,不愿意让你访问私有。


真诚点赞,手有余香


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