C ++初阶：类和对象（上）

爱编程的小赵 2024-09-02 17:05:02 阅读 66

🌞0.前言

🚈1. 面向过程和面向对象初步认识

🚈2.类的引入与定义

🚝2.1类的引入

🚝2.2类的定义

🚈3.类的访问限定符及其封装

🚝3.1访问限定符

🚝3.2封装

🚈4.类的作用域

🚝4.1加餐和发现

🚈5.类的实例化

🚈6.类对象大小的计算

🚝6.1.内部的存储方式

🚝6.2结构体对齐规则回顾

🚈7.this指针

🚝 7.1 this指针的引出

💎8.结束语

🌞0.前言

言C++之言，聊C++之识，以C++会友，共向远方。各位博友的各位你们好啊，这里是持续分享C++知识的小赵同学，今天要分享的C++知识是C++类与对象，在这一章，小赵将会向大家展开聊聊C++类与对象。✊

🚈1. 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。

这就好比对于洗衣服这件事C语言看到的是这样的：

而C++则与C语言不同,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。

同样是洗衣服这件事C++看到的则是这样的世界：

如果大家这个例子看完还是有点迷迷糊糊，那我那个学C++的好朋友又想出了一个很有意思的比喻：这就得看我们的外卖了。

如果让C语言去看待送外卖这件事，它看到的是：

但如果是我们的C++好哥们去看，则是这样：

感觉这个例子还是很形象的，也比较贴近我们的生活。

🚈2.类的引入与定义

🚝2.1类的引入

C++对我们之前的结构体做了升级，具体做了哪些升级呢？这里小赵去网上找了一段这样的描述

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

那么也就是说从这里我们能从这里get到的最直接的信息就是我们的结构体里面可以有函数的定义了。那么也就是说我们以前的栈只要放在一个结构体里面就可以实现了。

<code>struct stack

{

void Init(size_t capacity)//初始化

{

_array = (data*)malloc(sizeof(data));

if (_array == nullptr)

{

perror("malloc failed");

return;

}

_capacity = capacity;

_size = 0;

}

void push(const data& data)//进栈

{

_array[_size] = data;

++_size;

}

data Top()//栈顶元素

{

return _array[_size - 1];

}

void Destroy()//销毁

{

if (_array)

{

free(_array);

_array = nullptr;

_capacity = 0;

_size = 0;

}

data* _array;

size_t _capacity;

size_t _size;

};

当然小赵这里也只是简单实现一下，我知道大家对这个代码还有很多疑惑为什么可以这样，这个也是我们这篇文章的主要内容，当大家读完这篇文章，回头看一定能全部读懂。

下面我们再来举个简单的例子。

这里我们就在我们的结构体里面放了一个函数，这里访问函数的方法和我们之前访问结构体的元素的方法是一样的。

虽然我们说这是对结构体的升级，但其实到了C++里面我们更喜欢把它叫做类，这里其实是把结构体升级成了类。而我们下面要见到的就是C++的真正常用的类class;

🚝2.2类的定义

<code>class className

{

// 类体：由成员函数和成员变量组成

}; // 一定要注意后面的分号

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。

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。

2. 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::

这里还是更推荐大家去使用第二种，这样你看类的时候更清楚类里面有哪些函数，你需要一个一个了解的时候可以用我们vs ctrl+鼠标左键去跳转了解

成员变量命名规则的建议：

<code>// 我们看看这个函数，是不是很僵硬？

class Date

{

public:

void Init(int year)

{

// 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？

year = year;

}

private:

int year;

};

// 所以一般都建议这样

class Date

{

public:

void Init(int year)

{

_year = year;

}

private:

int _year;

};

// 或者这样

class Date

{

public:

void Init(int year)

{

mYear = year;

}

private:

int mYear;

};

上面两种方式是小赵推荐的两种方式，当然各位以后如果到了公司里面工作，就要按照公司的命名方式来。（下面的文章小赵采取的是_year的那种命名方法）

🚈3.类的访问限定符及其封装

🚝3.1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。

【访问限定符说明】

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。

接下来我们看看class和struct的区别。

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。

🚝3.2封装

了解封装之前，我们就不得不了解一下面向对象的三大特性：

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。

对于我们程序员来说，最简单的封装其实就是函数，你拿到一个函数去用就行了。如果再贴近生活一点去举例子就是我们玩王者荣耀，只需要去玩就可以，不需要管它的底层究竟是什么样子，这里的函数是一种封装，王者荣耀也是一种封装，上面的电脑硬件等也是一种封装。

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。

而类的出现其实让我们的封装更近一步了，就像前面我们可以把栈的所有函数全放在类里面，那么可以说用类可以封装我们之前的所有的数据结构学的（栈，列表等）

🚈4.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。

这里域其实和我们的C++前面说的命名空间的域一样用：：就可以访问域里面的内容了。

<code>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;

}

🚝4.1加餐和发现

class Person

{

public:

//Person::_age;

void Print()

{

PrintPersonInfo();

}

private:

void PrintPersonInfo();

char _name[20];

char _gender[3];

int _age;

};

void Person::PrintPersonInfo()

{

cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;

}

这里我们发现函数私有时候，我们可以在类外定义函数；但是如果是里面的变量是不被允许的。

这里的原因其实小赵也想不明白，为什么允许函数在外面定义，不允许变量在类外定义。于是我，问了chat gpt感觉这个答案和我在书里看到的有点一致。于是我便将这个解释拿了过来。

为什么说这个解释我接受了呢？这里就要说我们的class里面为什么要定义public,protected,private了，为什么不直接全部公有呢？这里的问题就在如果全部公有，我们里面定义的size(存了多少)，和capacity（有多少内存），不就可以随便改了吗？如果可以随便改，那么这样是不是说明我们的数据极有可能是被改动过的，那么我们的安全性就有可能大大受损，维护成本也更高。我们去封装起来的目的就是为了不让你去触碰这些变量。这也是我们为什么不能把私有变量放在外面定义的重要原因。（放在外面不是可以随便谁都可以定义了？）

🚈5.类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

（当我的C++好友学到这里大失所望，原来是这个对象看到时候还以为是那个对象，我安慰他说不要急，这个对象后面可以随便new，比那个对象好得多了。）

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

其实这个说法还是太文字了，要我说就叫一个类别，像我们都是人，老虎都是老虎，这个就是类。而对象就是从类里面得一个，比如我这个对象就是小赵（从类里面出来的）。同时类也是对我们大体的描述，但每个对象又各有不同。

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

虽然上面我的朋友们没想出什么好的例子，但这里他们的例子就多了，我觉得最好的还是这个：

类就像是一个做面包的模具。

其中大家最熟悉的一定是这个蛋挞的（因为小赵也经常吃）

而我们的对象就是做好的那个里面的蛋挞，模具是不能吃的，而蛋挞则是可以的。

在一个就是人，人其实是对我们的统称，我们对他（她）只有一个样子的感觉，但没有实体的，实体的真正占用空间的实际上是具体的某个人也就是对象。

那么下面这个我们也就好理解了

<code>class Person

{

public:

void PrintPersonInfo();

int _age;

private:

char _name[20];

char _gender[3];

};

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。（也就是我们上面说的）

那么只有这样才能真正有实物存在，可以访问。

🚈6.类对象大小的计算

前面我们好像说了类是没有空间占用的，这个说法其实是不对的，因为类模板其实也是要有一个空间的，因为如果没有空间的占用，那下面这些对象又找什么去实体话呢？所以前面的说法确实有问题，应该说它就像一个模具一样占有一定的空间，但你不能使用它去作为实际的对象只能用它去创建对象。我们这里要讨论的就是类

那么它的大小该如何去计算呢？

🚝6.1.内部的存储方式

首先要说的是我们的类里面的函数和我们的对象的函数都是不存在在自身里面的，

我们的类里面的函数全部都是放在一个公用的代码段里面，而我们的类对象在实例化的时候，就只需要实例化变量存在里面就行，需要去访问里面的函数的时候只需要去访问公共代码段里的函数就行。

然后就是它的内存存储方式与我们的结构体的内存对齐是一样，只需要用哪个同样的方式去算这里的就可以。

那么我们该如何去验证我们的猜想呢？只需要算这几个类就可以。

我们看这个结果就发现与我们上面说的是一样的。

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。

这里也是验证了其的存储方式。

🚝6.2结构体对齐规则回顾

1. 第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。

2. 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。注意：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 3. 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。

4. 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。

内存对齐的原因

访问效率：现代CPU在访问内存时，通常会以特定的大小（如4字节或8字节）进行读取。如果数据没有按照其对齐方式存储，会导致CPU进行额外的处理，减少内存访问的效率

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？

使用 <code>#pragma pack（N）

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（这个就等回到前面的文章里了这个就不带大家回顾了。）

🚈7.this指针

🚝 7.1 this指针的引出

首先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。

其实这个指针的设计可以说是相当灵性，就相当于是你把你独特的身份穿了进去，告诉了函数这个是你，那么调用的时候就会用你自己的变量。（其实和之前C语言的传地址很像）

🚝7.2 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。（就像一个人的身份信息你是不能改的）

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