C++类和对象（上）

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北 海 发表于 2023/05/31 11:35:15 2023/05/31
【摘要】 C++在原C语言的基础上新增了面向对象(Object-Oriented)的思想，使其从一门关注解题方法与过程的语言转变为关注解题对象的语言，对于C++来说，万物皆可是对象，下面跟随我的脚步，一起走进C++类和对象的世界

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  • I do not believe in taking the right decision. I take a decision and make it right.
    • 我不相信什么正确的决定。我都是先做决定，然后把事情做好。

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📘前言

C++在原C语言的基础上新增了面向对象(Object-Oriented)的思想，使其从一门关注解题方法与过程的语言转变为关注解题对象的语言，对于C++来说，万物皆可是对象，下面跟随我的脚步，一起走进C++类和对象的世界
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📘正文

下面就用一个经典的如何洗衣服的例子，来形象理解面向过程和面向对象的区别

📖面向过程

==面向过程关注的是解决问题的步骤和过程==

  1. 找到衣服
  2. 把洗衣机打开
  3. 将衣服和洗衣粉倒入其中
  4. 关上洗衣机
  5. 设置洗衣程序，等待衣服洗好

以面向过程的思维解决洗衣服这个事情需要经过以上几个步骤，可以看到各个步骤环环相扣，假若其中一个步骤做错了，将会影响到后续操作

面向过程解决问题的优点是执行速度比较快，专注于如何高效、迅速解决问题
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📖面向对象

==面向对象关注的是解决间各对象间的关系==

  1. 实例化一个洗衣类对象
  2. 将衣服交给此对象
  3. 等待程序解决问题

可以看到，在面向对象的思想中，存在人、衣服、洗衣机等对象，我们不需要关注洗衣机是如何把衣服洗好的，我们只需要关注问题本身：即通过洗衣机把衣服给洗干净，建立各对象间的关系，就能轻松解决问题

面向对象的优点是易维护、易复用、易扩展，具有封装、继承、多态等特性，适合解决大型问题
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==总之，面向过程思想无法满足开发大型程序的需求，面向对象思想应运而生==

  • 早在上世纪80年代，祖师爷等人就提出了面向对象思想，后续诞生的许多高级语言都是基于这种思想解决问题，比如Java、Python、C#，当然还有基于C语言的C++
  • 面向过程适用单片机、嵌入式、驱动开发等对效率要求高的领域
  • 面向对象多用于服务端等大型项目开发

面向对象的三大特性： ==封装、继承、多态== ，本文及后续几篇文章中主要是介绍 ==封装==，这也是类和对象的主要研究对象

📖类

🖋️基本形式

要想拥有对象，就得先有类，类的定义形式类似于C语言中的结构体，当然C++中的结构体也可以用来定义类，但我们一般不这样做，而是通过一个新的关键字class来进行类的定义

  • C语言结构体中无法定义函数，且默认所有成员为公有
  • C++的类中支持定义函数，将其称为成员函数，并且类中的所有成员默认为私有
//C语言
struct C
{
	int add(int x, int y);	//报错，C语言结构体中不允许函数声明
};

下面来看看C++实现

//C++
struct CPP
{
	int add(int x, int y);	//成功，C++中的struct可以看作类，而类中允许定义函数
};

//一般将类定义为下面这种方式
class CPP
{
	int add(int x, int y);	//我们一般通过 class 定义类
};

class 是新增的关键字，其定义形式与 struct 一致，都需要在结尾加上 ; 号，不过 class 中除了可以定义普通变量外(成员变量)，还可以定义函数(成员函数)，引入 class 的主要目的是为了将类更好的封装起来，得益于各种访问限定符的限制，使得 class 比单纯的 struct 安全许多

//类的定义形式
class ClassName
{
public:
	int add(int x, int y);	//成员函数 add
	//……
private:
	int _a;	//成员变量 _a
	int _b;
	//……
};

==类的两种定义方式：==

  • 将函数定义写在类中，即在类中声明函数时，就把它实现，这种方式一般用于短小且被经常调用的函数，此时会被编译器当作内联函数处理，提高运行速度
  • 在类中定义函数(.h头文件)，在类外定义实现函数(.cpp文件)，此时因为定义与声明是分开的，实现时需要加上类名，比如上面的类，分开定义实现时需要写成 ClassName::add 的形式

🖋️访问限定符

在 class 中有三种访问限定修饰符：

  • public 公有，可以在类外访问成员
  • protected 保护，能在类中被访问，也能在其派生类中被访问
  • private 私有，被修饰成员只能在类中访问

==对于 class 来说，如果不加访问限定符修饰，其成员全部为私有；而 struct 默认全部为公有(兼容C语言)==

加上访问限定符后，其影响区域自上而下，自到遇到下一个访问限定符或类末尾结束

class Limit
{
//公有
public:
	int _a;
	int _b;
//保护
protected:
	int _c;
//私有
private:
	int _d;
	int _e;
	int _f;
};

对于上述代码来说，_a、_b 为公有，_c 为保护，_d、_e、_f 为私有
访问限定符的引入是为了确保封装的完整性，使对象属性更加完善

==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

🖋️成员变量

在 class 中定义的普通变量，或者自定义类型变量，称为 成员变量，一般简称为 成员

每个实例化出来的对象，都有属于自己的 成员变量 ，互不冲突，但为了使 成员变量 更加容易辨别，我们一般会在 成员变量 前加上 _ 修饰

//定义一个日期类
class Date
{
private:
	int _year;	//年
	int _month;	//月
	int _day;	//日
	//上述变量都被称为类中的成员变量，简称为 成员
};

🖋️成员函数

类 的重要特征之一就是可以在其中定义函数，此时定义的函数称为 成员函数 ，一般称之为 方法

对于属于同一类的多个对象，它们的 成员函数 是公用的，因为 成员函数 虽然明面上写在 类 中，但实际上处于 代码段，对象调用时是通过地址调用的函数

//定义一个日期类
class Date
{
public:
	//构造函数，后续会介绍
	Date()
		: _year(1970)
		, _month(1)
		, _day(1)
	{}

	//打印日期类对象
	void Print()
	{
		cout << _year << "年";
		cout << _month << "月";
		cout << _day << "日";
		cout << endl;
	}
	//上述函数都被称为类中的成员函数，一般称为 方法
	
private:
	int _year;	//年
	int _month;	//月
	int _day;	//日
	//上述变量都被称为类中的成员变量，简称为 成员

==注意：== 定义在类中的成员变量和成员函数，不讲究定义位置，也就是说，即使成员变量定义在成员函数之下，成员函数也能正常调用

🖋️实例化及调用

当我们拥有一个正常的类后，就可以通过实例化的方式创建对象

//假设已经写了上面的类
//……

int main()
{
	Date d1;	//实例化出对象 d1，实际d1值为 1970 1 1
	return 0;
}

我们可以通过 . 操作符，实现类中方法的调用（类似于结构体的调用方式）

//假设已经写了上面的类
//……

int main()
{
	Date d1;	//实例化出对象 d1，实际d1值为 1970 1 1
	d1.Print();	//调用 Date 类中的 Print 方法，打印 1970年1月1日
	return 0;
}

==注意：== 同一个 类 可以实例化多次，产生多个 对象 ，这些 对象 的 成员变量 都是独立存在的，但 成员函数 是共用的；就像是在一个小区内，开发商按施工图纸（类）搭建了多栋住宅楼（对象），而每栋住宅楼中的用户、设施等都是独立存在的（成员变量），但小区中的健身器材、公共厕所、门口保安等都是公有（成员函数），假设给每个对象都配上属于自己成员函数，那么会造成严重的资源浪费

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🖋️类的大小

既然成员函数不存储在类中，那么计算类的大小时，只需要计算成员变量大小和就行了，类的计算也遵循内存对齐规则，即C语言结构体计算大小那一套规则

//定义一个日期类
class Date
{
public:
	//构造函数，后续会介绍
	Date()
		: _year(1970)
		, _month(1)
		, _day(1)
	{}

	//打印日期类对象
	void Print()
	{
		cout << _year << "年";
		cout << _month << "月";
		cout << _day << "日";
		cout << endl;
	}
	//上述函数都被称为类中的成员函数，一般称为 方法
	
private:
	int _year;	//年
	int _month;	//月
	int _day;	//日
	//上述变量都被称为类中的成员变量，简称为 成员
};

sizeof(Date) = 12 字节
int 4字节，占位 0123，依次推算，三个 int 占位为 0 1 2 3 、4 5 6 7、8 9 10 11，最终对齐为 12 字节

==注意：== 空类（即不含成员变量的类）大小为 1字节，这 1字节并不存储数据，只是用来表示此类实例化对象后存在

📖this指针

类的特性：每个对象都有属于自己的成员变量，而成员函数需要通过对象来调用，这就意味着只要发生了调用成员函数的行为，就一定能找到对象对应的成员变量

因此C++ 编译器做了这样一件事：给每个非静态成员函数增加了一个隐藏参数 this 指针，该指针指向调用成员函数的对象，至于成员函数中涉及该对象成员变量的操作，都是通过 this 指针调用的

==这种行为是编译器自动执行的，我们无法干预==

//假设已经写了上面的类
//……

int main()
{
	Date d1;	//实例化出对象 d1，实际d1值为 1970 1 1
	d1.Print();	//调用 Date 类中的 Print 方法，打印 1970年1月1日
	return 0;
}

这里的 Print 函数能做到不传递参数就能打印 d1 值，正是得益于 this 指针的存在
在函数调用时，实际是这样的：

d1.Print(&d1);	//其中 &d1 这个参数传递是由编译器自动完成的，我们不能主动干预

函数接收并实现时，是这样的：

void Print(Date* const this)	//这个参数也是编译器自动设计并接收使用的
{
	cout << this->_year;
	//……

	//实际使用中，下面两种形式是完全一样的，即使我们不主动通过 this 指针指向成员变量
	//编译器也会自动给我们加上 this 指针，指向当前对象的成员变量
	_year;	//实际效果等价于 this->_year
	this->_year;
}

==注意：==

  • this 指针是被 const 修饰的，也就是说 this 指针只能指向当前对象
  • this 指针只能在成员函数的内部使用
  • this 指针不存储在对象中，是通过参数传参的形式传递给 成员函数 的，这个行为是编译器自动执行的
  • this 指针是一个隐含形参，位于参数列表的第一个，一般情况下通过寄存器 ecx 自动传递
  • 可以存在一个指向空的对象指针 pc，通过此指针调用函数时，只要不发生 this 指针解引用情况，是不会报错的，因为此时 this 指针为空指针

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📘总结

以上就是类和对象（上）的全部内容了，我们简单了解面向过程和面向对象的区别，学习了类的各种特性，初步理解了C++的封装实现，最后还知道了 this 指针的存在，体验到了类和对象的巧妙用法；在下一篇文章中，我们将会学习类中的各种默认成员函数，看看当初祖师爷在设计类时都出现了哪些问题，后续是如何解决问题的，以及类中更为有趣的成员函数

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如果本文有不足或错误的地方，随时欢迎指出，我会在第一时间改正

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