文章目录

• 前言
• 一、面向过程和面向对象（初步认识）
• 二、类
• • 1.类的定义
  • 2.类的两种定义方式
  • • 1.声明和定义不分离
    • 2.声明和定义分离
  • 3.类的成员变量命名规则
  • 4.类的访问限定符及封装
  • • 1.访问限定符
    • 2.封装
  • 5.类的作用域
  • 6.类的实例化
  • 7.类对象模型
  • • 1.如何计算类对象大小
    • 2.类对象的存储方式
    • 3.结构体内存对齐规则
  • 8.`this`指针
  • • 1.`this`指针的引出
    • 2.this指针的特性
    • 3.C语言和C++实现Stack的对比
    • • 1.C语言实现
      • 2.C++语言实现
• 三、相关练习题
• 总结

前言

本文开始我们总结关于C++面向对象的相关概念，本文主要介绍C++中用来实现封装功能的类。

一、面向过程和面向对象（初步认识）

C语言是面向过程的语言，关注的是过程，要先分析出求解问题的过程，再通过函数调用一步一步的求解问题。
C++是基于面向对象的，关注的是对象，将一件事情分解成不同的对象，通过这些不同的对象之间的交互过程来完成一件事
用现实中洗衣服这件事举例：
面向过程：要关注洗衣服的过程，即洗衣服的每一个步骤。

面向对象：要关注洗衣服的对象，即洗衣服这件事的相关对象。

二、类

C语言的结构体（struct）中只能定义变量，而在C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数，此时的结构体称为C++中的类。

1.类的定义

继承自C语言的struct可以作为类的关键字，但是C++也有定义类的新关键字class。
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

其中className是类名，{}中是类体。
类体中的内容称为类的成员：类中的变量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。

2.类的两种定义方式

1.声明和定义不分离

即声明和定义都放在类中。

//人
class person
{
public://显示信息void showInfo(){cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;}
private:char* _name;//姓名char* _sex;//性别int _age;//年龄
};

2.声明和定义分离

即，将声明放在.h文件中，将定义放置在.cpp文件中。

//person.h
class person
{
public://显示信息void showInfo();
private:char* _name;//姓名char* _sex;//性别int _age;//年龄
};

//person.cpp
#include"person.h"
void person::showInfo()//注意：成员函数名前需要加类名::，作用域操作符
{cout << _age << " " << _sex << " " << _name << " " << endl;
}

3.类的成员变量命名规则

先看一段代码：

class Date
{
public:void Init(int year){// 问题来了，这里的year到底是成员变量，还是函数形参？year = year;}
private:int year;
};

计算机可以分辨出两个year分别对应的成员变量还是函数参数，但是这样的命名方式人不好理解，会增加阅读成本。
对此，我们应该采用将成员变量和函数参数定义为不同名的命名规则

class Date
{
public:void Init(int year){_year = year;}
private:int _year;//前缀_标识区分
};

或者

class Date
{
public:void Init(int year){mYear = year;}
private:int mYear;//前缀m标识区分
};

4.类的访问限定符及封装

C++实现封装的方式：用类将对象的属性与方法结合在一起，让对象更加完善，再通过访问权限选择性的将其接口提供给外部的用户使用。

1.访问限定符

访问限定符说明

1. public在类外可以直接被访问
2. private在类外不可以直接被访问
3. protected在类外不可以直接被访问
4. 如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束。
5. class的默认访问权限为private，struct默认访问权限为public(因为struct要兼容C)

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

2.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，仅对外公开接口来进行对象间的交互。
封装本质上是一种管理，让用户更方便的使用类。
举个例子：

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。

类似的，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的实现细节，同时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。如果要在类体外定义成员，则需要使用 :: 作用域操作符指明该成员属于哪个类域。

class Person
{
public:void PrintPersonInfo();
private:char _name[20];char _gender[3];int _age;
};
// 这里需要指定PrintPersonInfo函数是属于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

1. 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，定义出的类并没有为它分配实际的内存空间；比如：盖房子需要的设计图纸，这个图纸就可以看成是一个类，来描述具体房子的信息。

2. 类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象是占用实际的物理空间，存储类成员变量。
   
   
   

7.类对象模型

1.如何计算类对象大小

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

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？
正常情况下，我们都会认为类对象中应该同时包含了类的成员变量和成员函数，类的大小应该是成员变量和成员函数在内存中所占空间的大小，那么事实如此吗？
对于上面的代码，我们认为该类在32位环境下的大小应该是

4 + 1 = 5
存储成员函数的函数地址，需要四个字节
成员变量a在内存中占一个字节
因此类的大小应该是五个字节

然而运行结果却与我们所想的不同：

这是为什么呢？我们接下来对类对象的存储方式进行一下猜测。

2.类对象的存储方式

• 对象中包含类的各个成员
  
  这种方式的缺陷：每个对象中的成员变量是不同的，但是它们调用同一份函数。如果按照这种方式存储，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的代码，相同代码保存多次，会导致空间浪费。那么如何解决呢？
• 类成员函数的代码只保存一份，并在对象中保存存放代码的地址
  
  这种每个对象记录函数地址的方式还是有些浪费空间。这个类的成员函数就在类里面，每个类对象还需要去记录函数的函数地址吗？
• 只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
  
  那么，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？
  我们可以通过分别获取下面的不同类的对象的大小来进行分析：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
using namespace std;
// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:void f1(){}
private:int _a;
};
// 类中只有成员函数
class A2 {
public:void f2() {}
};
// 类中什么都没有——空类
class A3
{};
int main()
{cout << sizeof(A1)<<" " << sizeof(A2) <<" "<< sizeof(A3) << endl;return 0;
}

运行结果如下：

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，其中只有成员函数或者空类，这两种情况比较特殊，编译器给了这种类一个字节来唯一标识这个类的对象。

3.结构体内存对齐规则

C++结构体内存对齐规则与C语言中结构体内存对齐规则相同。

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。VS中默认的对齐数为8
3. 结构体总大小为：最大对齐数（在所有变量类型最大者与默认对齐数之间取最小值）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

8.this指针

1.this指针的引出

我们先来看以下代码：

class Data
{
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()
{Data d1, d2;d1.InIt(2022, 02, 22);d2.InIt(2022, 01, 01);d1.Print();d2.Print();return 0;
}

运行结果：

我们观察上面的代码，会有这样一个问题：Data类中有InIt和Print两个成员函数，函数体中没有关于不同对象的区分，那么当d1调用InIt函数时，该函数时如何知道要设置d1对象而不是设置d2对象呢？
答：这个问题是因为C++中引入了this指针这个概念，即：C++编译器给每个“非静态的成员函数”增加了一个隐藏的this指针参数，让this指针指向当前对象（还是南湖运行时，调用函数的对象），在函数中所有“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都是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。

2.this指针的特性

1. this指针的类型：类类型*const，即在成员函数中，不能给this指针赋值；
2. 只能在“成员函数”的内部使用；
3. this指针本质上是成员函数的形参，当对象调用成员函数是，将对象的地址作为实参传给this形参，所有this指针不是存储在对象内的，而是在函数调用时的函数栈帧上的；
4. this指针是“成员函数”第一个隐含的指针形参，一般情况下由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传参；
   

了解到这里，我们要思考以下两个问题：
1.this指针存在哪里？
this指针存在函数调用时的函数栈帧里，即栈区。
2.this指针可以为空（nullptr）吗？
看以下两个选择题：

//1.以下程序编译运行的结果是？ 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;
}

//2.以下程序编译运行的结果是？ A.编译报错  B.运行崩溃  C.正常运行
class B
{
public:void Print(){cout << _a << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{B* p = nullptr;p->Print();return 0;
}

答案：1.C 2.B。

3.C语言和C++实现Stack的对比

1.C语言实现

#include
#include
#include
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{DataType* arr;int capacity;//栈的容量int size;//栈中元素个数
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)//创建栈
{assert(ps);ps->arr = (DataType*)malloc(sizeof(DataType)* 4);if (NULL == ps->arr){assert(0);return;}ps->capacity = 4;ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)//销毁栈
{assert(ps);if (ps->arr){free(ps->arr);ps->arr = NULL;ps->capacity = 0;ps->size = 0;}
}
void CheckCapacity(Stack* ps)//扩容
{if (ps->size == ps->capacity){int newcapacity = ps->capacity * 2;DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->arr,newcapacity*sizeof(DataType));if (temp == NULL){perror("realloc申请空间失败!!!");return;}ps->arr = temp;ps->capacity = newcapacity;}
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)//入栈
{assert(ps);CheckCapacity(ps);ps->arr[ps->size] = data;ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)//栈是否为空
{assert(ps);return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)//出栈
{if (StackEmpty(ps))return;ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)//栈顶元素
{assert(!StackEmpty(ps));return ps->arr[ps->size - 1];
}
int StackSize(Stack* ps)//栈的元素个数
{assert(ps);return ps->size;
}
int main()//测试
{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;
}

运行结果：

观察可得，C语言实现的Stack相关操作函数由以下共性：

• 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进行检测，避免该参数为NULL，造成程序崩溃；
• 函数都是通过Stack*指针参数操作栈的；
• 函数调用必须传递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定义在结构体中，即数据和操作数据的方法是分离的。这种实现方式是复杂的，涉及到大量的指针操作，容易出错。

2.C++语言实现

#include
using namespace std;
typedef int DataType;
class Stack
{
public:void Init()//创建栈{_arr = (DataType*)malloc(sizeof(DataType)* 4);if (NULL == _arr){perror("malloc申请空间失败!!!");return;}_capacity = 4;_size = 0;}void Push(DataType data)//入栈{CheckCapacity();_arr[_size] = data;_size++;}void Pop()//出栈{if (Empty())return;_size--;}DataType Top()//栈顶元素{return _arr[_size - 1]; }int Empty() //判断栈是否为空{return 0 == _size; }int Size()//栈中元素个数{return _size; }void Destroy()//销毁栈{if (_arr){free(_arr);_arr = NULL;_capacity = 0;_size = 0;}}
private:void CheckCapacity()//扩容{if (_size == _capacity){int newcapacity = _capacity * 2;DataType* temp = (DataType*)realloc(_arr, newcapacity *sizeof(DataType));if (temp == NULL){perror("realloc申请空间失败!!!");return;}_arr = temp;_capacity = newcapacity;}}
private:DataType* _arr;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;
}

运行结果：

C++中可以通过类，将数据以及操作数据的方法放在类中，通过访问权限可以控制哪些方法可以在类外进行访问，即封装。
在使用操作数据的方法时，就像使用自己的成员一样，符合人类对某一件事物的认知。而且每个方法不需要传递Stack*的参数，编译器编译之后参数会自动还原，即C++中Stack*参数是由编译器进行维护的，而C语言中需要用户自己维护。

三、相关练习题

1. 问题：C++中struct和class的区别是什么？
   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。

2. 结构体怎么对齐？ 为什么要进行内存对齐？
   答：（1）内存对齐是什么？
   内存对齐是指编译器将每个数据单元安排在适当的位置的位置上。
   （2）结构体怎么对齐？
   结构体对齐是依照结构体内存对齐规则（本文有讲解）。
   （3）为什么要进行内存对齐？
   ①平台原因（移植原因）
   某些编译器不能对任意内存位置进行操作，所以要将数据存储在可被操作的位置。
   ②性能原因
   如果没有内存对齐，对数据的访问要进行两次，有内存对齐，对数据的访问只要进行一次。
   ③总结来说，内存对齐就是用空间换时间。
   ④如果想要既节省时间又节省空间，就可以将占内存小的变量集中定义。

3. 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？
   可以通过使用#pragma pack()对默认对齐数进行修改和恢复，实现让结构体按照指定的对齐参数进行对齐，因此，可以按照任意字节对齐。

4. 什么是大小端？如何测试某台机器是大端还是小端？
   （1）什么是大小端？
   大端是指，数据存储时，高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址；
   小端是指，数据存储时，高位字节存储在高地址，低位字节存储在低地址；
   
   （2）如何判断某台机器是大端还是小端？
   利用联合体改变一个成员变量，其他成员变量也会被修改的特点，判断大小端：

//判断当前计算机的大小端
int is_little_endian()
{union Un{int a;char b;};union Un i;i.a = 1;return i.b;
}
int main()
{int ret = is_little_endian();if (ret == 1){printf("小端\n");}if (ret == 0){printf("大端\n");}
}

运行结果：

总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了C++中的类的相关概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。
最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！