【C++】——类和对象:类的引入、类的定义、类的访问限定符及封装、类的作用域、类的实例化、类对象大小的计算、this指针

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YIN_尹 发表于 2023/08/21 18:21:10 2023/08/21
【摘要】 这篇文章我们开始学习C++中的类和对象。1. 面向过程和面向对象初步认识我们之前学的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。而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.类的引入我们之前在C语言中学过结构体：但是C语言中的结构体只能定义变量，比如：对于这个结构体来说：struct ListNode是这个...

这篇文章我们开始学习C++中的类和对象。

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1. 面向过程和面向对象初步认识

我们之前学的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。

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而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。

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2.类的引入

我们之前在C语言中学过结构体：

但是C语言中的结构体只能定义变量，比如：

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对于这个结构体来说：struct ListNode是这个结构体的类型，struct必须带上的。

当然C++中我们依然能用结构体，因为C++兼容C：

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首先这里给大家说一下C++中可以直接用struct后面的做结构体类型，可以不用加struct。

除此之外，在C++中：

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
{
    //成员函数
    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;
        }
    }
    //成员函数
    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;
}

通过.的方式可以调用结构体中的函数。

但是呢：

上面的这种结构体定义，在C++中，更喜欢用class，即我们接下来要重点学习的类来代替。

3.类的定义b33fb0e77dab4f54a87ed0dd134eb95c.png

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

3.1 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，编译器会将其当成内联函数。

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  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::
  2. 2a68f5bae2a2465791a2ff3ae15116e1.png
  3. 那在成员函数showlnfo前面加上Person：：的作用呢其实就是告诉编译器showlnfo不是全局的函数，而是Person这个类中的成员函数，如果不加就会报错的，因为在全局找不到该函数。那这样如果在函数中用到了对应的成员变量，编译器也会到类中去寻找。

另外要注意如果又缺省参数前面我们说了要在函数声明中给。

3.2 成员变量命名规则建议

现在有这样一个类：

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;
};

Date有一个成员变量（属性）year，然后还有一个成员函数Init，但是Init函数的形参和成员变量同名，那这里就有一个问题，Init中的year到底是成员变量，还是函数形参？

我们可以来验证一下：

int main()
{
    Date d1;
    d1.Init(2023);
    return 0;
}

我们用Date这个类创建一个对象d1，然后调用Init，看能不能成功初始化成员变量中的year。

我们通过调试观察：

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发现d1的成员变量year并没有真正得到初始化。

说明Init中的两个year都是形参。

所以呢，对于成员变量的命名我们给出这样的建议：

class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 _year = year;
 }
private:
 int _year;
};

成员变量的前面我们可以加一个_和形参进行区分。

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或者这样：

class Date
{
public:
 void Init(int year)
 {
 mYear = year;
 }
private:
 int mYear;
};

在成员变量前面加一个m(member)，表示它是成员变量。

当然：

这只是建议，大家可以按照自己的想法进行区分。以后大家进入公司工作主要看公司要求。

4. 类的访问限定符及封装

🆗，那我们上面不是用结构体struct简单的写了一下栈嘛

与C语言结构体的区别是里面可以定义函数，但是我们说了在C++我们更喜欢用类（class）来代替。

那我们现在就把struct换成class：

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但是我们发现换成class之后直接报了很多错误。说什么无法访问private成员？

这是怎么回事？

🆗，这就是我们接下来要了解的东西——C++中类访问限定符。

4.1 访问限定符

C++实现封装的方式：用类将对象的属性（成员变量）与方法（成员函数）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：

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【访问限定符说明】

  1. class的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)

所以我刚才修改成class之后才会报这样的错，而struct没事：

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  1. public修饰的成员在类外可以直接被访问

这也就是为什么我们之前用struct就没有报错，因为struct默认是public的，在类外也可以访问f4dc60496eaf4fffbbe91c12709e4a13.png


  1. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问

现阶段我们刚开始学习类和对象，可以先不在意protected和private具体的区别。

  1. 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

比如：

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  1. 如果后面没有访问限定符，作用范围就到 } 即类结束

比如：

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C++中struct和class的区别是什么？


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，后续给大家介绍。


4.2 封装

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。c4f3b27ec2724b9c9bebdcac431ca8ab.png

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。

这个大家先了解一下即可，在后续学习过程中我们还会不断加深对封装等特性的理解。

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。

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6. 类的实例化

用类创建对象的过程，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

类就好比是建造房子的图纸，类的实例化就好比用图纸去建造房子。图纸只是对房子进行了一个描述，用图纸建造出来的房子（类的实例化）才占用实际空间。

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一张图纸可以建造多栋房子，那同样：

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（成员函数是不存储在对象中的，我们后面会讲）

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7. 类对象模型

7.1 类对象大小的计算

现在有这样一个类：

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

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

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？

7.2 类对象的存储方式猜测

我们猜测，有以下几种可能：

  1. 对象中包含类的各个成员，成员变量和函数都存储在对象中
  2. 8a3e1375200c46b18d41a5fb5dd5535d.png
  3. 但这样存储好吗？

缺陷⚠：每个对象中成员变量是不同的，但是调用同样的成员函数，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成员函数，相同码保存多次，浪费空间。

那么如何解决呢？

  1. 成员函数只保存一份，在对象中保存存放函数的地址
  2. 26d0f483b3b947a7bd0c12409a6d4d90.png
  3. 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

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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，下面我们就来验证一下：

首先提醒大家C++中类对象大小的计算方法和C语言结构体是一样的，都要考虑内存对齐。

那先我们就用上面那个Date类创建一个对象，看它的大小是多少：

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所以呢：

没错，正确的存储方式是第三种：类对象中只存储成员变量，不存储成员函数（地址也没有），成员函数存放在公共的代码段。

打个比方，大家可以这样理解：

我们说了类就好比是建造房子的图纸，一张图纸可以建造多个房子，那同样道理，一个类就可以实例化多个对象。

那对象的属性（成员变量）呢，就可以看作是房子里面的厨房、浴室…这些东西，每栋房子里面都有。

那类中的成员函数（方法）呢，就可以看作小区里的篮球场，小卖部等，这种东西需要一个房子里面建一个吗？那就太浪费了吧，是不是整个小区共用一个就行了啊。所以成员函数是不存在对象里的，而是存在公共的代码段。


所以说：

计算一个类对象的大小，只需要考虑其中的成员变量就行了，当然记得要按照结构体内存对齐的规则进行计算。

下面我们就来做几个练习，计算几个类的大小：

那类的大小是多大，它创建的对象就是多大，就像整型int的大小是4个字节，用int创建的变量也是4个字节。

第一个：

class A1 {
public:
    void f1(){}
private:
    int _a;
};

那这不是简单吗？成员变量就一个，是整型的，那就4个字节嘛。

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第二个：

class A2 {
public:
   void f2() {}
};

哎这个怎么算？没有成员变量，只有一个成员函数，但我们说成员函数是存在代码段的啊。

那它的大小是0吗？我们来看一下：

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欸，是1。

那这个呢：

// 类中什么都没有---空类
class A3
{};

一个空类，那按照上面的结果来分析，A3的大小也应该是0，也是一个成员变量都没有：9bffb0033ce7473ea6752b04f794e2fc.png

🆗，也是1。

那为什么不含成员变量的类大小是1个字节呢？

一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”大小之和，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。

可以理解为占位，来标识这个类或者类的对象的存在。

7.3 结构体内存对齐规则复习

至于这里用到的结构体内存对齐的规则：

我们在C语言阶段也详细讲解过了，大家不熟悉的可以复习一下：

链接: link

C语言专栏中的一篇文章：【自定义类型详解】第一篇——结构体详解

8. this指针

8.1 this指针的引出

我们看这样一个类：

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;
};

那我们现在用该类创建两个对象，并调用成员函数：

int main()
{
    Date d1, d2;
    d1.Init(2022, 1, 11);
    d2.Init(2022, 1, 12);
    d1.Print();
    d2.Print();
    return 0;
}

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我们看到这里能够正确的对d1，d2的属性（成员变量）进行初始化并打印。

那就有一个问题值得我们思考一下：

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？

那原因在于：

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。


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（不能修改）。

比如在上面的Date类中，this指针的类型就是Date* const

  1. 只能在“成员函数”的内部使用
  2. 513dbaf2c84a4a75bacfd0bfa7d14044.pngthis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
  4. 3af0f22ddfca4a75aea1aa64fdffbe54.png

8.3 this指针相关面试题

this指针存在哪里？

我们上面提到this指针其实是一个隐含形参，是成员函数的形参，它不存在于对象中，那this指针存在于哪里呢？

🆗，是形参的话，是不是在栈上啊。

所以this指针是存在于栈上的，但是呢，有些编译器会进行优化，比如vs，一般会保存在ecx寄存器中，通过编译器自动传递。

  1. this指针可以为空吗？

看这个类：

class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << this << endl;
    }
    void func()
    {
        cout << "func" << endl;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

然后大家思考一下这样做会产生什么后果：

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给大家几个选项：

编译错误、运行崩溃、正常运行。
大家觉得是啥？

我们来运行看一下：

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没有出现异常，正常运行。


跟大家想的一样吗？


🆗，我们来解释一下。

p1是一个Date类型的空指针，然后我们通过p1去调用类的成员函数func。

大家可能会想，这里不是对空指针解引用了吗？怎么还运行正常啊？

那要告诉大家的是，我们不能看到->或者.就认为一定存在解引用，还是要根据具体情况进行分析。

我们上面说调用类成员函数时会进行一个隐式的传参，传的是当前调用成员函数的对象的地址，那现在的情况是什么，是不是传过去了一个空指针啊。

但是传参传空指针一定会出错吗？

是不是不一定啊，函数那边没有进行空指针的检查，那是不是只要不对空指针进行解引用就没问题啊。

而func函数里面是不是只是打印了一个字符串“func”，并没有对空的this指针解引用，所以程序正常运行，没有问题。


那继续，看这种情况：

dd80d897d0c84c2cb397c94330e66d65.png

如果我们调Init函数呢？

85558f77fb404a7686d503add0b68647.png

那这下是不是就要出问题了啊，因为Init函数里面是不是要通过this指针去找当前对象的成员变量（解引用了），但现在传过来的this指针是空指针，那对空指针解引用是不是程序就崩溃了。


9b705d14445a4c3bad80d3ee68195c34.png

那再来看一个：75e6b31f82c94e78aa57d485ea85c8a7.png

这样呢？


这句代码虽然有(*p1)，看起来进行了解引用，但是我们说了，有->或者.也未必一定会解引用，这句代码(*p1).func();和p1->func();本质上是不是一样啊（大家可以调试去查看它们的汇编代码是相同的），只是把空指针传给this了，但是函数体内是不是并没有对其解引用啊，所以没事。

23013759968e4999a5d7eeda4e25d522.png

最后再来看一个，如果是这样呢？

655902905b284644a83e3ccc6bee85ba.png我们把私有private访问限定符屏蔽掉，然后执行p1->_day = 6;这句代码，会不会有问题？

是不是不行啊这样，因为成员变量_day是在对象里的，我们要访问是不是要通过对象的指针去访问啊，但是现在p1是空指针，这里是会进行解引用的，所以不行！

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9. C语言和C++实现栈Stack的对比

回忆一下，我们当时C语言实现栈是怎么写的：

22389a2029c74447964268701f4194a9.png

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（函数）是分离开的，对数据的操作比较自由，而且实现上相对复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出错。


那C++要实现栈呢：c379a779b533469d84fcec21e296046c.png

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，对象调用其成员函数时编译器会自动把对象的地址传给this指针，C语言中需用用户自己维护。


这篇文章就先到这里，欢迎大家指正！！！

下一篇我们继续类和对象剩余内容的学习！！！

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