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[C++知识库]【C++修炼之路】2. 类和对象（上）

每一个不曾起舞的日子都是对生命的辜负

本节目标

1. 面向过程和面向对象初步认识
1. 类的引入
1. 类的定义
1. 类的访问限定符及封装
1. 类的作用域
1. 类的实例化
1. 类的对象大小的计算
1. 类成员函数的this指针

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。

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。

2. 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：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;
};
int main()
{
    Stack s;
    s.Init(10);
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    cout << s.Top() << endl;
    s.Destroy();
    return 0;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

在Stack这个类中，里面的变量为：_array、_capacity、_size ,而在其里面的函数（方法）是可以直接用这些变量的，因为是在一个类里面。此外，类里面的函数和变量的上下关系是随意的，这是因为在类里面，想利用其中的变量时，会在整个类里面进行搜索，此例就是将变量放在下面,将函数（方法）放在了上面。

事实上，在C++中，这并不是结构体的定义，而是类的封装。（由于C++兼容C因此定义结构体与C语言是一样的。）

在C语言的结构体中，不会有函数这样的成员变量，因为C语言是面向过程的，其操作方式是与成员直接分开的；而C++是是面向对象的，一个对象就是包括了自身属性和动作。

对象有很多的方法，方法就是函数，因此函数就是分块的一系列的功能。因此当我们定义了一个这样的类之后，即上述的Stack，在主函数定义变量的时候，就以这个类定义，得到的就是一个对象，当这个对象需要进行操作的时候，我们可以直接通过像s.Init()这样的形式进行操作，Init就是这个类中的函数。与C语言相比，这个更多的是多了模块化的封装，以及类与类之间函数（方法）的分离。

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

3. 类的定义

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：

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。
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:: （声明和定义分离）

一般情况下，更期望采用第二种方式。声明和定义分离的目的就是增加代码的观赏性，在大工程中如果不这样的话，想看类中的成员变量，可能会由于内部函数代码过多导致花费的时间成本高，看起来极其复杂。需要注意的是，这样进行分离定义之后，缺省值不能同时在.h中定义，而是在.cpp中使用。

成员变量命名规则的建议：

// 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;
};

对于这样的代码，是不好进行区分的，而且会出现错误，因此我们采用将类中的变量命名统一加上特有的符号：

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;
};
// 其他方式也可以的，主要看公司要求。一般都是加个前缀或者后缀标识区分就行。

此外，为了避免函数中的参数与类中的变量重名，可以将类中的变量前加上_来进行区分类的成员变量和函数中的参数。

4. 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。

【访问限定符说明】

public修饰的成员在类外可以直接被访问
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)
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
如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
class的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)

像这样，在private的修饰下，是不可以在类的外面直接引用的。

限定域与类的区别

我们知道，对于上一届的命名空间来说，有一个限定域的概念，并且通过::可以直接操作：

但对于类，就上面代码来说：我们可不可以这样访问里面的成员变量呢？

通过演示发现，出现了报错。这是为什么呢？

对于类来说，从形式上更像是一个结构体，区别就是这个结构体里面可以放置函数，如果按照这种思想来说，Stack就是一个结构体类型，里面的数据事实上并没有定义，因此直接用未定义的变量是错误的。

对于命名空间的限定域来说，其中的变量就是一个定义完成的全局变量，只不过为了防止产生冲突给其加上了一个限制，需要：：才能访问其中的变量。因此说到底，前者没定义，后者定义了，所以这两个是不相同的。

综上所述总结就是：不能用类名访问私有成员变量

当然，在这里其实涉及到this指针的知识，会在下面讲解并对这里进行更深入的解释。

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。

5. 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。

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;
}

6. 类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

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。
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

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。只有先定义一个对象，才能对其内部属性进行操作。、

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

7. 类对象模型

7.1 如何计算类对象的大小

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	char _a;
};

int main()
{
	A aa;
	cout << sizeof(A) << endl;
	cout << sizeof(aa) << endl;
	return 0;
}

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？

对于这个类来说，其和C语言中的结构体一样有内存对齐的规则。A类包括了一个char类型变量和一个函数，char类型我们知道占用一个字节，但是对于函数来说，C语言中的结构体并没有这种成员，因此，我们需要对其进行分析。

那么我们知道，函数一般在别的地方都是以函数名出现的，函数名代表着地址，地址是四个字节，如果按照这样的思路来计算的话，根据内存对齐的规则，得出A类的大小就是八个字节，那么

结果真的是这样吗？那么我们来看一下运行结果：

我们发现，出现的结果并不是8，也就是说，在类中存储的函数并没有将地址放在类中，那么，其是以何种方式进行存储的呢？看看下面:

7.2 类对象的存储方式猜测

1. 对象中包含类的各个成员

这种存储方式就是将整个函数都存储在类里面，当然通过上面的结果，不是按照这种方式存储的。

那考虑一下，为什么不按照这种方式进行存储呢？这说明其中有一定的缺陷：

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。

那么如何解决呢？

1. 代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
1. 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

抛开上面的运行结果不说，方式2和方式3哪一个更好呢？

对于2和3可以有一个这样的方式去解释：

假设在一个小区，一个小区有一个健身房，对于2来讲，就是将每户分配了一个地图，当我们想要去健身房的时候，就可以根据地图规划的路线到达位置，对于3来讲，由于一个小区的路线对于小区的人来说非常熟悉，因此，就不需要地图，直接就可以按照已知的路线到达位置。在这个举例中，健身房就是类里面对应的函数，由此我们可以看出，第三种方式是节省开支并且省去了没必要的麻烦，因为这段路就是自己常走的，因此也没必要在给他增加条件。

所以对于类中的函数来说，其内容没有放在类中，地址也没用放在类中，而是都放在了一个公共代码区（代码段）当需要用到函数的时候，就可以直接进行访问。来看看反汇编下的调用:

在一个类中定义了两个变量，其函数仍然是同一个地址，因此，函=内部的函数是共用的，不需要重复定义，这也就说明了放下在公共代码区的好处。

那么我们再通过下述的例子看一下：

// 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
{};

结论：一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和，当然要注意内存对齐。

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。（只有函数其函数也是在公共代码区去定义的，因此不占用类的内存，因此也可看成一个空类）

7.3 结构体内存对齐规则

在C语言中我们已经学习过内存对齐的规则，在这里再复习一下：

第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。

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

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。

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。

【面试题】

结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？
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？
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

这些问题在C语言对应的章节中都进行了解释。

结构体对齐

大小端字节序

8. 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(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。

即隐藏了的this指针功能，如果我们写的话，会是这样，但是编译器已经自动处理好了，因此没必要自行处理。

    //Data* this
	//Data* d1
	//Data* d2
	void Print()
	{
		cout <<this-> _year << "_" <<this-> _month << "_" << this->_day << endl;
	}

对于上面的限定域与类的区别中，我们有一个这样的例子：

上面提到过：不能用类名访问私有成员变量。因此这样是错误的。

但在这里，仍然可以利用this指针来描述错误，我们发现，这样的直接定义成员变量没有对象，因此就没有this指针，但对于一个类来讲，this指针是类中内置的，一定会有this指针，因此这里的错误原因也可以这样去描述。

8.2 this指针的特性

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“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

【面试题】

this指针存在哪里？（栈、堆、静态区、常量区）
this指针可以为空吗？

答：

一般是存放在栈帧中。我们通过前面的演示可以看见，this指针是存放在形参中的，因此，与函数的形参的保存位置一样。（vs下面进行了优化，使用ecx寄存器传递）

我们发现，在这里利用了ecx直接通过this指针（这里的this指针事实上就是转化成了d1)

对于第二个问题，我们来看看具体例子：

第一个例子：

/ 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;
}

对于这个程序，三个选择中哪个是正确的呢？

我们来分析一下：

由于p为空指针，但是这里的p->Print();并不是解引用去访问，通过上面类对象的存储方式猜测我们知道，因为成员函数的地址不在对象中，而是在公共代码区域。通过this指针的知识，实际上其可以这样去看待：Print(p)，因此在类中，this指针为空指针，Print的参数就是一个空指针，但是Print函数的执行与this指针是否为空无关，因此，选项为C。

第二个例子：

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

这个与第一个例子的差别只是在Print和PrintA的区别，对于这个PrintA，this指针当然也为空，但是里面的_a,我们知道this指针是隐藏的，因此实际上_a是this->a,而this又是p,于是这里出现了空指针的解引用，因此会运行崩溃，选项为B。

注：空指针是运行错误，编译是检查不出来的。（因此上述的空指针错误是运行错误。）

8.3 C语言和C++实现Stack的对比

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。

C++实现

typedef int DataType;
class Stack
{
public:
    void Init()
    {
        _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
        if (NULL == _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 = NULL;
            _capacity = 0;
            _size = 0;
        }
    }
    private:
    void CheckCapacity()
    {
        if (_size == _capacity)
        {
            int newcapacity = _capacity * 2;
            DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
                              sizeof(DataType));
            if (temp == NULL)
            {
                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那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。