【C++】类和对象（一）[类的相关定义及this指针]

• 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。
• C++ 在 C 语言的基础上增加了面向对象编程，C++ 支持面向对象程序设计。类是 C++ 的核心特性，通常被称为用户定义的类型。
• 类用于指定对象的形式，是一种用户自定义的数据类型，它是一种封装了数据和函数的组合。类中的数据称为成员变量，函数称为成员函数。类可以被看作是一种模板，可以用来创建具有相同属性和行为的多个对象。

0、面向对象程序设计

C++ 完全支持面向对象的程序设计，包括面向对象开发的四大特性：

• 封装（Encapsulation）：封装是将数据和方法组合在一起，对外部隐藏实现细节，只公开对外提供的接口。这样可以提高安全性、可靠性和灵活性。
• 继承（Inheritance）：继承是从已有类中派生出新类，新类具有已有类的属性和方法，并且可以扩展或修改这些属性和方法。这样可以提高代码的复用性和可扩展性。
• 多态（Polymorphism）：多态是指同一种操作作用于不同的对象，可以有不同的解释和实现。它可以通过接口或继承实现，可以提高代码的灵活性和可读性。
• 抽象（Abstraction）：抽象是从具体的实例中提取共同的特征，形成抽象类或接口，以便于代码的复用和扩展。抽象类和接口可以让程序员专注于高层次的设计和业务逻辑，而不必关注底层的实现细节。

1、类的引入

C语言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。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
{
 	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;
 		}
 }
 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;
}

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

1.1、class和struct的区别 （点击查看详细讲解）

在我看来有以下几点很重要：

• 在结构体中，数据成员的默认访问权限是公有的（public），这意味着它们可以在结构体外部直接访问。
• 类的成员默认访问权限是私有的（private），这意味着类的成员在外部不能直接访问，需要通过公共的成员函数来访问。

2、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。

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，编译器可能会将其当成内联函数处理。

2. 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::

3、定义c++对象

类提供了对象的蓝图，所以基本上，对象是根据类来创建的。声明类的对象，就像声明基本类型的变量一样。下面的语句声明了类 Box 的两个对象：

Box Box1;          // 声明 Box1，类型为 Box
Box Box2;          // 声明 Box2，类型为 Box

对象 Box1 和 Box2 都有它们各自的数据成员。

访问数据成员

类的对象的公共数据成员可以使用直接成员访问运算符 . 来访问。

实例：

#include <iostream>
 
using namespace std;
 
class Box
{
   public:
      double length;   // 长度
      double breadth;  // 宽度
      double height;   // 高度
      // 成员函数声明
      double get(void);
      void set( double len, double bre, double hei );
};
// 成员函数定义
double Box::get(void)
{
    return length * breadth * height;
}
 
void Box::set( double len, double bre, double hei)
{
    length = len;
    breadth = bre;
    height = hei;
}
int main( )
{
   Box Box1;        // 声明 Box1，类型为 Box
   Box Box2;        // 声明 Box2，类型为 Box
   Box Box3;        // 声明 Box3，类型为 Box
   double volume = 0.0;     // 用于存储体积
 
   // box 1 详述
   Box1.height = 5.0; 
   Box1.length = 6.0; 
   Box1.breadth = 7.0;
 
   // box 2 详述
   Box2.height = 10.0;
   Box2.length = 12.0;
   Box2.breadth = 13.0;
 
   // box 1 的体积
   volume = Box1.height * Box1.length * Box1.breadth;
   cout << "Box1 的体积：" << volume <<endl;
 
   // box 2 的体积
   volume = Box2.height * Box2.length * Box2.breadth;
   cout << "Box2 的体积：" << volume <<endl;
 
 
   // box 3 详述
   Box3.set(16.0, 8.0, 12.0); 
   volume = Box3.get(); 
   cout << "Box3 的体积：" << volume <<endl;
   return 0;
}

结果：

需要注意的是，私有的成员和受保护的成员不能使用直接成员访问运算符 (.) 来直接访问。

4、类的访问限定符及封装

4.1、访问限定符

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。

4.2、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. 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为public(因为struct要兼容C)

4.3、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

4.4、封装

概念：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。

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。

5、类的作用域（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。

类是单独享有一个域的，所以类与类之间可以有同名函数与变量，如下：

class stack
{
public:
	void Init()
	{
		cout << "初始化栈" << endl;
	}

	void Push(int x)
	{
		cout << x << "被压栈了" << endl;
	}

	void Destroy()
	{
		cout << "销毁栈" << endl;
	}

	int stackSize()
	{
		return size;
	}
private:
	int* a;
	int size;
	int capacity;
};

class List
{
public:
	void Init()
	{
		cout << "初始化顺序表" << endl;
	}

	void Push(int x)
	{
		cout << x << "顺序表尾插" << endl;
	}

	void Destroy()
	{
		cout << "销毁顺序表" << endl;
	}

private:
	int* a;
	int size;
};

以上代码中，定义了一个顺序表List，一个栈stack，两者都有Init，Push，Destroy，a，size。但是两者并不冲突，因为在不同的类域中。

6、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。

可以理解为，类就是一个建筑图纸，其规定了一个建筑有哪些房间，房间大小，尺寸等等。但是图纸是不可以住人的，也就是说还不是一个可以使用的屋子，此时就需要实例化，根据图纸把屋子建出来。

比如我们上述的栈的类：

class stack
{
public:
	void Init()
	{
		cout << "初始化栈" << endl;
	}

	void Push(int x)
	{
		cout << x << "被压栈了" << endl;
	}

	void Destroy()
	{
		cout << "销毁栈" << endl;
	}

	int stackSize()
	{
		return size;
	}
private:
	int* a;
	int size;
	int capacity;
};

将其实例化就是：

int main()
{
	stack s1;
	stack s2;
	stack s3;
	stack s4;

	return 0;
}

这里我们进行了四次实例化，s1，s2，s3，s4是四个不同的实例，不过我们一般将其称为对象。这四个对象就相当于根据图纸造出来的屋子，它们的结构完全一致，只是可能经过使用后数据会不同。可以理解为不同装修方式会对房屋的内部造成不同的影响，但是房屋的结构依然是一致的。

7、类对象模型

7.1、如何计算类对象的大小

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

结果：

7.2、类对象的存储方式

只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

其机制为：类的成员变量放在对象本身的空间中，而函数会被放在一个公共代码段，因为函数是一致的。

实例：

class A1 {
public:
	void f1() {}
private:
	int _a;
};
// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
	void f2() {}
};
// 类中什么都没有---空类
class A3
{};


int main() {
	cout << sizeof(A1) << endl;
	cout << sizeof(A2) << endl;
	cout << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

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，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。

（回顾知识）7.3、结构体的内存对齐规则

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。 VS中默认的对齐数为8
3. 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。

8、this指针

8.1、this指针的引出

讲清楚了对象模型后，我们来想一个问题：既然大家都是用的同一个函数，那么这个被调用的函数怎么知道是谁调用的？

class myclass
{
public:
	void Init(int x, int y, int z)
	{
		_x = x;
		_y = y;
		_z = z;
	}

	void Add()
	{
		cout << _x + _y + _z << endl;
	}

private:
	int _x;
	int _y;
	int _z;
};

int main()
{
	myclass c1;
	myclass c2;

	c1.Init(1, 2, 3);
	c2.Init(4, 5, 6);

	c1.Add();
	c2.Add();

	return 0;
}

创建了两个myclass类的对象c1和c2，c1初始化三个成员为1，2，3；c2初始化三个成员为4，5，6。

调用Add函数时，对于Add函数来说，它是如何知道要完成1+2+3还是4+5+6?

• 这就涉及到了this指针。
• 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。

也就是说，我们在调用类的函数时，函数会偷偷传递一个参数this指针，它指向了成员的地址，这样就可以知道是谁调用了这个函数。

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。
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