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【C++初阶路】--- 类和对象(中)

2024-06-25 96
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简介： 【C++初阶路】--- 类和对象(中)

一、this指针

1.1 this指针的引出

如下定义一个日期类Date

class Date
{
public:
  //void InitDate(Date* const this, int year = 2024, int month = 6, int day = 14)
  void InitDate(int year = 2024, int month = 6, int day = 14)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }

  //void PrintDate(Date* const this);
  void PrintDate()
  {
    cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
  }

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

int main()
{
  Date d1;
  Date d2;
  //d1.InitDate(&d1);
  d1.InitDate();
  d2.InitDate(2024, 6, 17);
  d1.PrintDate();
  d2.PrintDate();

  return 0;
}

对于上述类，有这样的一个问题：

Date类中有InitDate与 PrintDate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 InitDate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。

1. this指针存在哪里？

我们首先可以排除存在对象里面，因为通过前面计算类的大小，发现并没有多出一个指针的空间。还有一个疑问就是，有人说this指针是const修饰的，所以在常量区，事实上这种说法也是错误的，因为并不是所有const修饰变量都在常量区，可以通过观察变量的地址得出：

不难发现const int j与int i都是放在栈上的，而p(指向常量字符串)是在常量区。在*之前，const修饰的是指针指向的内容，变量p本身(&p)还是在栈上的。

其次this指针也不可能在静态区，因为他既不是全局变量，也没有static修饰；同理只有malloc(), new… 出来的变量才会在堆上。所以this指针只能在栈上，也因为他是一个形参（有些编译器比如vs可能会用寄存器存储（因为this可能会被频繁调用，所以以此来提高运行效率））。


2. this指针可以为空吗？

哪么便有这么一个问题：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();
  //(*p).PrintA(); ---- question 2
  return 0;
}

此程序是可以正常运行的。成员函数不在对象中，所以p->Print()并不会解引用(通俗点理解解引用：到对应的空间去找)！ Print()的地址是在编译时确定的，如果p->_a++(若_a为public)便会去解引用，即会去p所对应的地址空间找到_a，然后++。

问题二处程序也是正常运行，同样的道理成员函数不存在对象中，所以虽然写成(*p).，但是任不需要解引用。从汇编角度，两者是完全相同的！

p->的作用是将p的地址作为形参传递给成员函数，即this指针。 而传递空指针是没问题的。

 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 PrintA(A* const this)
    void PrintA()
    {
      //cout << this->_a << endl;
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->PrintA();
    return 0;
}
//

此程序会运行崩溃。因为在PrintA()内部对空指针this解引用了（_a=> this->_a）。

1.2 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。
  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。

1.3. 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;
}

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。

  1. C++实现
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
  void Init()
  {
    _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
    if (nullptr == _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 = nullptr;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
private:
  void CheckCapacity()
  {
    if (_size == _capacity)
    {
      int newcapacity = _capacity * 2;
      DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
        sizeof(DataType));
      if (temp == nullptr)
      {
        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哪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。

二、类的6个默认成员函数

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。

空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成以下6个默认成员函数。

默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

class Date{};

三、构造函数

3.1 概念

对于文章开头处的Date类，可以通过 InitDate()公有方法给对象设置日期，但如果每次创建对象时都调用该方法设置信息，未免有点麻烦，那能否在对象创建时，就将信息设置进去呢？


构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同,创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有 一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次。

3.2 特性

构造函数是特殊的成员函数，需要注意的是，构造函数虽然名称叫构造，但是构造函数的主要任务并不是开空间创建对象，而是初始化对象。

其特征如下：

  1. 函数名与类名相同。
  2. 无返回值。 (不是void，而是就不需要写)
  3. 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。
  4. 构造函数可以重载。
class Date
{
public:
  //1. 无参构造函数
  Date()
  {}

  //2. 带参构造函数
  Date(int year, int month, int day)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }

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

void TestDate()
{
  Date d1; // 调用无参构造函数
  Date d2(2024, 6, 19); // 调用带参的构造函数
  // 注意：如果通过无参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则就成了函数声明
  // 以下代码的函数：声明了d3函数，该函数无参，返回一个日期类型的对象
  // warning C4930: “Date d3(void)”: 未调用原型函数(是否是有意用变量定义的?)
  Date d3();
}
  1. 如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。
class Date
{
public:
  /*
  // 如果用户显式定义了构造函数，编译器将不再生成
   Date(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;
  return 0;
}

将Date类中构造函数屏蔽后，代码可以通过编译，因为编译器生成了一个无参的默认构造函数；
将Date类中构造函数放开，代码编译失败，因为一旦显式定义任何构造函数，编译器将不再生成；
无参构造函数，放开后报错：error C2512: “Date”: 没有合适的默认构造函数可用。


  1. 关于编译器生成的默认成员函数，很多人会有疑惑：不实现构造函数的情况下，编译器会生成默认的构造函数。但是看起来默认构造函数又没什么用？d对象调用了编译器生成的默认构造函数，但是d对象_year/_month/_day，依旧是随机值。也就说在这里编译器生成的默认构造函数并没有什么用？？

解答：C++把类型分成内置类型(基本类型)和自定义类型。内置类型就是语言提供的数据类型，如：int/char...，自定义类型就是我们使用class/struct/union等自己定义的类型，看看下面的程序，就会发现编译器生成默认的构造函数会对自定类型成员_t调用的它的默认成员函数。

class Time
{
public:
  Time(int hour = 24, int minute = 0, int second = 0)
  {
    cout << "构造函数：Time()" << endl;
    _hour = hour;
    _minute = minute;
    _second = second;
  }
private:
  int _hour;
  int _minute;
  int _second;
};

class Date
{
public:
  void Print()
  {
    cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
  }
private:
  //基本类型（内置类型） -> 随机值
  int _year;
  int _month;
  int _day;

  //C++11以后版本，可以在成员变量声明时给默认值！！
  //int _year = 2024;
  //int _month = 6;
  //int _day = 19;

  //自定义类型  -> 调用自己的默认成员函数
  Time _t;
};

int main()
{
  Date d1;
  d1.Print();
  return 0;
}

事实上自定义类型的尽头还是内置类型。自定义类型既是内置类型和自定义类型(可无)组合，最后还是需要我们来初始化的！

注意：C++11 中针对内置类型成员不初始化的缺陷，又打了补丁，即：内置类型成员变量在类中声明时可以给默认值。

  1. 无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个。注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。 （不传参就可以调用的构造函数）
class Date
{
public:
  Date()
  {
    _year = 1900;
    _month = 1;
    _day = 1;
  }
  Date(int year = 2024, int month = 5, int day = 9)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
// 以下测试函数能通过编译吗？
int main()
{
  Date d1;
  return 0;
}

显然是不可以的，全缺省的构造函数和无参构造函数都属于默认构造函数，同时只能存在一个，不然会引起歧义，两者都可以使用Date d1来调用构造函数！

文章标签：
编译器
C++
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C++类
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C++初阶类和对象
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