【C++】类和对象(上)

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。 面向对象的三大特性：封装；继承

---

类的引入

C语言中，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

下面，我们来看一看代码：

#include <iostream>
using namespace std;

//兼容C中struct的所有用法
//成为了类
struct Student
{
	void SetStudentInfo(const char* name, const char* gender, int age)
	{
		strcpy(_name, name);
		strcpy(_gender, gender);
		_age = age;
	}
	void PrintStudentInfo()
	{
		cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
	}
    //成员属性放在类的上面还是下面都是可以的，因为C++把类看成了一个整体，并没有效率的影响
	char _name[20];
	char _gender[3];
	int _age;
};
int main()
{
	Student s;
	s.SetStudentInfo("lisi", "男", 18);
	s.PrintStudentInfo();
	return 0;
}

但是在实际上，上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替

---

类的访问限定符及封装

在开始具体的类之前我们先来看看类的访问限定

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

我们来简单定义一个Stack类，然后去进行访问：

此时的top是private修饰的，不能在类外对其进行访问。

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

C++中struct和class的区别是什么❓

C++需要兼容C语言，所以C++中struct可以当成结构体去使用。另外C++中struct还可以用来定义类。和class是定义类是一样的，区别是struct的成员默认访问方式是public，class的成员默认访问方式是private。

封装

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。

在类和对象阶段，我们只研究类的封装特性 :

封装本质上是一种管理：举个例子：我们是如何管理兵马俑的？比如如果什么都不管，兵马俑就被随意破坏了。那么我们首先建了一座房子把兵马俑给封装起来。但是我们目的全封装起来，不让别人看。所以我们开放了售票通道，可以买票突破封装在合理的监管机制下进去参观。

类也是一样，我们使用类数据和方法都封装到一起。不想给别人看到的，我们使用protected/private把成员封装起来。开放一些共有的成员函数对成员合理的访问。所以封装本质是一种管理。

---

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。

类中的元素称为类的成员：类中的数据称为类的属性或者成员变量; 类中的函数称为类的方法或者成员函数

我们能否通过类域对其成员进行访问？这是不行的

class Stack//类型
{
public:
	void Push(int x)
	{
		Init();
	}
	void Init(int N = 4)
	{
		top = 0;
		capacity = 0;
	}
public:
	int* a; //声明
	int top;
	int capacity;
};
int main()
{
	Stack::a = 0;
	return 0;
}

我们需要定义一个对象才能去进行访问：

类的两种定义方式

1. 声明和定义全部放在类体中，需要注意：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。

class Stack
{
public:
	void Push(int x)
	{

	}
	void Init(int N = 4)
	{

	}
private:
	int* a;
	int top;
	int capacity;
};

class Queue
{
public:
	void Init()
	{

	}
	void Push(int x)
	{

	}
private:
	//..
};

2. 声明放在.h文件中，类的定义放在.cpp文件中 (这样更加方便我们去看代码)

而我们在定义的时候要记得指定类域：

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，需要使用 :: 作用域解析符指明成员属于哪个类域 。

---

类的实例化

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化

1. 类只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
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
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

来举个简单的例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	char _a;
};
int main()
{
	A aa;
	aa.PrintA();
	return 0;
}

类对象模型

如何计算类对象的大小

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	char _a;
	int b;
};
int main()
{
	A aa;
	A bb;
	cout << sizeof(A) << endl;
	cout << sizeof(aa) << endl;
	cout << sizeof(bb) << 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？

一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和，当然也要进行内存对齐，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。 占位，不存储有效数据，标识对象存在

结构体内存对齐规则

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。

3. 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。

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。

类对象的存储方式猜测

对象中包含类的各个成员

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？

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

---

this指针

this指针的引出

我们先来定义一个日期类Date

class Date
{
public:
	void Display()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
	void SetDate(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year; // 年
	int _month; // 月
	int _day; // 日
};
int main()
{
	Date d1, d2;
	d1.SetDate(2022, 9, 22);
	d2.SetDate(2022, 9, 23);
	d1.Display();
	d2.Display();
	return 0;
}

Date类中有SetDate与Display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SetDate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。

this指针的特性

1. this指针的类型：类型* const
2. 只能在“成员函数”的内部使用
3. this指针本质上其实是一个成员函数的形参**，是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

const Date*p1;//const修饰指针指向的对象. *p1

Date const*p2;//const修饰指针指向的对象 *p2

Date*const p3;//const修饰本身 p3

this指针存在哪里❓

是形参，一般是存在栈帧中

this指针可以为空吗❓我们来做个练习

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout <<"Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

正常运行。为什么❓成员函数不存在对象里，存在于常量区(代码段)，编译器调用函数时P不会到p指向的对象里找Print()地址.

不发生解引用，因为成员函数的地址不在对象中，在公共代码区域。传递一个this指针不会报错。

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

此处访问_a会发生空指针的解引用。会运行崩溃。