C++ 类和对象（一）

目录1. 类的定义1.1 类定义的格式1.2 访问限定符1.3 类域2. 实例化2.1 实例化的概念2.2 对象大小内存对齐规则3. this指针test:4. C和C语言实现栈对比正文开始1. 类的定义1.1 类定义的格式class为定义类的关键字Stack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。为了区分成员变量⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识如成员变量前面或者后面加_ 或者 m开头注意C中这个并不是强制的只是一些惯例具体看公司的要求。C中 struct 也可以定义类C兼容C中 struct 的用法同时 struct 升级成了类明显的变化是 struct 中可以定义函数一般情况下推荐用 class 定义类。定义在类里面的成员函数默认为 inline 。类的一个好处在于例如如果以之前的C语言的思路在需要同时定义栈和堆等功能的环境下会面临push等功能的函数命冲突问题需要我们注意命名时区分开来。会给代码编写带来不便利等问题。数据结构--栈数据结构--堆这两文章中对栈和堆进行了描述讲解。代码如下#includeiostream using namespace std; class Stack { public: // 成员函数 void Init(int n 4) { //... } void Push(int x) { // ... } int Top() { //... } void Destroy() { //... } //... private: //成员变量 int* array; size_t capacity; size_t top; }; //分号不能省 class Heap { public: // 成员函数 void Init() //void HPInit(HP* php); { //... } void Push() { // ... } void Destroy() { //... } //... private: int* a; int size; int capacity; }; int main() { Stack st; st.Init(); st.Push(1); st.Push(2); cout st.Top() endl; st.Destroy(); Heap hp; hp.Init(); hp.Push(); hp.Destroy(); return 0; }#include iostream class Data { public: void Init(int year, int month, int day) { _year year; _month month; _day day; } private: // 为了区分成员变量⼀般习惯上成员变量 // 会加⼀个特殊标识如_ 或者 m开头 int _year; // year_ m_year int _month; int _day; }; int main() { Data d; d.Init(2026, 1, 28); return 0; }#includeiostream using namespace std; // C升级struct升级成了类 // 1、类⾥⾯可以定义函数 // 2、struct名称就可以代表类型 // C兼容C中struct的⽤法 typedef struct ListNodeC { struct ListNodeC* next; int val; }LTNode; // 不再需要typedefListNodeCPP就可以代表类型 struct ListNodeCPP { void Init(int x) { next nullptr; val x; } ListNodeCPP * next; int val; }; int main() { return 0; }1.2 访问限定符C一种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。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protected 和 private 是⼀样的他们的区别此处略。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 定义成员没有被访问限定符修饰时默认为privatestruct 默认为 public。一般成员变量都会被限制为 private / protected需要给别人使用的成员函数会放为public。1.3 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时需要使用 :: 作用域操作符指明成员属于哪个类域。类域影响的是编译的查找规则下面程序中 Init 如果不指定类域Stack那么编译器就把 Init 当成全局函数那么编译时找不到 array 等成员的声明/定义在哪里就会报错。指定类域Stack就是知道Init是成员函数当前域找不到的array等成员就会到类域中去查找。#includeiostream using namespace std; class Stack { public: // 成员函数 void Init(int n 4); private: // 成员变量 int* array; size_t capacity; size_t top; }; // 声明和定义分离需要指定类域 void Stack::Init(int n) { array (int*)malloc(sizeof(int) * n); if (nullptr array) { perror(malloc申请空间失败); return; } capacity n; top 0; } int main() { Stack st; st.Init(); return 0; }2. 实例化2.1 实例化的概念用类类型在物理内存中创建对象的过程称为类实例化出对象。类是对象进行一种抽象描述是一个模型一样的东西限定了类有哪些成员变量这些成员变量只是声明没有分配空间用类实例化出对象时才会分配空间。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。#include iostream using namespace std; 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: //这里只是声明没有开空间 int _year; int _month; int _day; }; int main() { //Date类实例化出对象d1和d2 Date d1; Date d2; d1.Init(2026, 01, 29); d1.Print(); d2.Init(2001, 01, 29); d2.Print(); return 0; }2.2 对象大小类实例化出的每个对象都有独立的数据空间所以对象中肯定包含成员变量那么成员函数是否包含呢首先函数被编译后是一段指令对象中没办法存储这些指令存储在一个单独的区域(代码段)那么对象中非要存储的话只能是成员函数的指针。再分析⼀下对象中是否有存储指针的必要呢Date实例化d1和d2两个对象d1和d2都有各自独立的成员变量_year/_month/_day存储各自的数据但是d1和d2的成员函数Init/Print指针却是一样的存储在对象中就浪费了。如果用Date实例化100个对象那么成员函数指针就重复存储100次太浪费了。这里需要再额外说明一下其实函数指针是不需要存储的函数指针是一个地址调用函数被编译成汇编指令[call 地址] 其实编译器在编译链接时就要找到函数的地址不是在运行时找只有动态多态是在运行时找就需要存储函数地址。内存对齐规则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。#includeiostream using namespace std; // 计算⼀下A/B/C实例化的对象是多⼤ class A { public: void Print() { cout _ch endl; } private: char _ch; int _i; }; class B { public: void Print() { //... } }; class C { }; int main() { A a; B b; C c; cout sizeof(a) endl; cout sizeof(b) endl; cout sizeof(c) endl; return 0; }上面的程序运行后我们看到没有成员变量的B和C类对象的大小是1为什么没有成员变量还要给1个字节呢因为如果一个字节都不给那怎么表示对象存在过呢所以这里给一字节纯粹是为了占位标识对象存在。3. this指针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和Print函数时该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢那么这里就要看到C给了一个隐含的this指针解决这里的问题编译器编译后类的成员函数默认都会在形参第一个位置增加一个当前类类型的指针叫做this指针。比如Date类的Init的真实原型为 void Init(Date* const this, int year,int month, int day)类的成员函数中访问成员变量本质都是通过this指针访问的如Init函数中给_year赋值 this-_year year;C规定不能在实参和形参的位置显示的写this指针(编译时编译器会处理)但是可以在函数体内显示使用this指针。#include iostream using namespace std; class Date { public: /*void Init(Date* const this, int year, int month, int day) { this-_year year; this-_month month; this-_day day; }*/ void Init(int year, int month, int day) { _year year; _month month; _day day; } /*void Print(Date* const this) { cout this-_year / this-_month / this-_day endl; }*/ void Print() { cout _year / _month / _day endl; } private: //这里只是声明没有开空间 int _year; int _month; int _day; }; int main() { //Date类实例化出对象d1和d2 Date d1; Date d2; //d1.Init(d12026, 01, 29); d1.Init(2026, 01, 29); //d1.Print(d1); d1.Print(); //d2.Init(d2,2001, 01, 29); d2.Init(2001, 01, 29); //d2.Print(d2); d2.Print(); return 0; }test: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#includeiostream using namespace std; class A { public: void Print() { cout A::Print() endl; } private: int _a; }; int main() { A* p nullptr; p-Print(); //那p-_a;呢 return 0; }p-Print();这段代码能正常运行是因为Print()是普通成员函数在编译期就确定了函数地址成员函数并不直接访问this指针除非函数内部使用了类的成员变量在这个Print()函数中只是输出字符串没有访问任何类的成员变量实际调用时编译器会把p作为this指针传递给函数但由于函数内部没有使用this所以即使p是nullptr也不会崩溃可以理解为编译器把p-Print()转换成了类似A::Print(p); // 传递空指针但函数内部不用p-_a;这段代码报错运行时崩溃是因为_a是类的成员变量访问成员变量需要通过this指针p-_a实际上会被编译器转换为*(p-_a)需要计算成员变量在对象中的偏移地址当p是nullptr时计算p-_a就是nullptr 偏移量但解引用空指针就会导致段错误关键区别成员函数调用编译时确定函数地址运行时传递this指针函数内部不使用this就安全成员变量访问必须通过有效的this指针来访问内存空指针必然崩溃2. 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#includeiostream using namespace std; class A { public: void Print() { cout A::Print() endl; cout _a endl; } private: int _a; }; int main() { A* p nullptr; p-Print(); return 0; }运行崩溃3. this指针存在哪个区域里A.栈 B.堆 C.静态区 D.常量区 E.对象里面A4. C和C语言实现栈对比面向对象三大特性封装、继承、多态下面的对比我们可以初步了解⼀下封装。通过下面代码对比数据结构--栈一文中用C语言实现栈我们发现C实现Stack形态上还是发生了挺多的变化底层和逻辑上没啥变化。C中数据和函数都放到了类里面通过访问限定符进行了限制不能再随意通过对象直接修改数据这是C封装的⼀种体现这个是最重要的变化。这里的封装的本质是一种更严格规范的管理避免出现乱访问修改的问题。C中有⼀些相对方便的语法比如Init给的缺省参数会方便很多成员函数每次不需要传对象地址因为this指针隐含的传递了方便了很多使用类型不再需要typedef用类名就很方便在这里C实现的Stack看起来变了很多但是实质上变化不大。//C实现Stack代码 #include iostream #include assert.h #include stdbool.h using namespace std; typedef int STDataType; class Stack { public: //成员函数 void Init(int n 4) { _a (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n); if (nullptr _a) { perror(malloc fail); return; } _capacity n; _top 0; } void Push(STDataType x) { if (_top _capacity) { int newcapacity _capacity * 2; STDataType* tmp (STDataType*)realloc(_a, newcapacity * sizeof(STDataType)); if (tmp NULL) { perror(realloc fail); return; } _a tmp; _capacity newcapacity; } _a[_top] x; } void Pop() { assert(_top 0); --_top; } bool Empty() { return _top 0; } int Top() { assert(_top 0); return _a[_top - 1]; } void Destroy() { free(_a); _a nullptr; _top _capacity 0; } private: //成员变量 STDataType* _a; size_t _capacity; size_t _top; }; int main() { Stack s; s.Init(); s.Push(1); s.Push(2); s.Push(3); s.Push(4); while (!s.Empty()) { printf(%d\n, s.Top()); s.Pop(); } s.Destroy(); return 0; }