【C++类与对象(上)】

C++类与对象(上）

  • 1.面向过程和面向对象初步认识
  • 2.类的引入
  • 3.类的定义
  • 4.类的访问限定符及封装
    • 4.1 访问限定符
    • 4.2 封装
  • 5.类的作用域
  • 6.类的实例化
  • 7.类的对象大小的计算
    • 7.1如何计算类对象的大小
    • 7.2 类对象的存储方式猜测
    • 7.3结构体内存对齐规则
  • 8.类成员函数的this指针
    • 8.1 this指针的引出
    • 8.2 this指针的特性

1.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。

下面让我来举个洗衣服的例子来理解以下二者的区别：

面向过程：
放衣服（方法）–>加洗衣粉（方法）–> 加水（方法）–> 漂洗（方法）–> 清洗（方法）–> 甩干（方法）

面向对象：
new 出两个对象 ”人“ 和 ”洗衣机:"

“人” 加入属性和方法：放衣服（方法）、加洗衣粉（方法）、加水（方法）
”洗衣机“ 加入属性和方法：漂洗（方法）、清洗（方法）、甩干（方法）
然后执行：

人.放衣服（方法）-> 人.加洗衣粉（方法）-> 人.加水（方法）-> 洗衣机.漂洗（方法）-> 洗衣机.清洗（方法）-> 洗衣机.甩干（方法）

若想再进一步了解，可以查看这篇文章面向对象和面向过程（总结版）

2.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：

struct test
{int a = 0; double b = 0.0;int Add(int a, int b){return a + b;}
};

 在上述的结构体test中，定义了a，b两个变量，和一个Add()函数。
 只是在C++中习惯使用class来代替struct.

3.类的定义

 首先来观察一下类的结构

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：类定义结束时后面的分号；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。
    在这里插入图片描述

  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. 在这里插入图片描述

 这里再稍微提一下C++里的命名：

// 我们看看这个函数，是不是会产生歧义。
class Date
{
public:void Init(int year){// 这里的year到底是成员变量，还是函数形参？year = year;}
private:int year;
};

 因为这里的year无法分别，所以我们一般给成员变量添加一些修饰，比如给变量名前面加上_或者变量名后面加上_。

class Date
{
public:void Init(int year){_year = year;}
private:int _year;
};

 这样是不是清楚多了。

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。

在这里插入图片描述

【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)

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

4.2 封装

 面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

今天先来了解一下封装：

 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。

通俗一点来说就是：封装本质上是基于访问权限的一种管理，也是出自对对象的保护。

举个例子：
在博物馆，出自于对文物的保护，通常会在文物的外面围上一个玻璃保护壳，也就是将文物封装了起来。
在这里插入图片描述

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。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。

//Person.cpp
class Person
{
public://访问权限为public//有关访问的，下文会讲void showInfo();public:char* _name;	//姓名char* _sex;		//性别int _age;		//年龄
};//Person.h
//这里需要指定这个showInfo是属于Person的
void Person::showInfo()
{cout << _name << "-" << _sex << "-" << _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，定义出一个类并没
    有分配实际的内存空间    来存储它；比如：入学时填写的学生信息表，表格就可以看成是一个
    类，来描述具体学生信息。
    注意：定义类的时候，只是对成员变量的声明，并不是定义，故没有分配空间。
class Person
{public:int _age = 18;		//这里虽然给_age赋值，但仍不分配空间
};

 2.一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象将占用实际的物理空间来存储类成员变量

实例化示范:

//Person.h
//人
class Person
{
public://访问权限为public//有关访问的，下文会讲void showInfo();void Print();
public:string _name;	//姓名string _sex;		//性别int _age;		//年龄
};//Person.cpp
//定义
void Person::showInfo()
{cout << _name << " - " << _sex << " - " << _age <<  endl;
}//test.cpp
int main()
{Person p1;p1._name = "QQ";p1._sex = "male";p1._age = 18;p1.showInfo();return 0;
}

在这里插入图片描述

7.类的对象大小的计算

7.1如何计算类对象的大小

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？

7.2 类对象的存储方式猜测

 猜测一：对象中包含类的各个成员
在这里插入图片描述

缺陷：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，相同的代码保存了多次，浪费空间。

 猜测二：代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
在这里插入图片描述

 猜测三：只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

问题：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？
我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下:

// 类中既有成员变量，又有成员函数
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
{};

在这里插入图片描述

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。

7.3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。
    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。

对齐数 = 该结构体成员变量自身的大小与编译器默认的一个对齐数的较小值。

8.类成员函数的this指针

8.1 this指针的引出

我们先来定义一个日期类的Date：

#include <iostream>
using namespace std;
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;//实例化两个日期类d1.SetDate(2021, 5, 25);//设置d1的日期d2.SetDate(2021, 5, 26);//设置d2的日期d1.Display();//打印d1的日期d2.Display();//打印d2的日期return 0;
}

 上述Date类中有SetDate和Display两个成员函数，函数体中并没有关于不同对象的区分，那么当d1调用SetDate函数时，该函数是如何知道要设置的是d1对象，而不是d2对象呢？

C++中通过引入this指针解决该问题：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的。只不过所有操作对用户是透明的，即用户不需要来传递，而是编译器自动完成。

  下面左边的代码调用成员函数传参时，看似只传入了一些基本数据，实际上还传入了指向该对象的指针：
在这里插入图片描述
  编译器进行编译时，看到的成员函数实际上也和我们所看到的不一样，每个成员函数的第一个形参实际上是一个隐含的this指针，该指针用于接收调用函数的对象的地址，用this指针就可以很好地访问到该对象中的成员变量：
在这里插入图片描述

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.

 让我们通过下面这段代码更深入的理解this指针：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:void PrintA(){cout << _a << endl;}void Show(){cout << "Show()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;  //p->Show();       //第一句代码//p->PrintA();     //第二句代码
}

程序分别运行第一句代码和第二句代码，你认为程序运行的结果如何？
 你可能看到指针p是一个空指针，而第二句代码和第三句代码都通过操作符“->”，间接性的执行了对p的解引用操作，所以你认为程序会崩溃。
 其实不然，当程序执行第一句代码时，程序不会崩溃，会正常打印出字符串"Show()"，而当程序执行第二句代码时，程序才会因为内存的非法访问而崩溃。

解释如下：
 指针p确实是一个类的空指针，但当执行第一句代码时，程序并不会崩溃。第一句代码并没有对空指针p进行解引用，因为Show等成员函数地址并没有存到对象里面，成员函数的地址是存在公共代码段的。
 当程序执行第二句代码时，会因为内存的非法访问而崩溃。执行第二句代码时，调用了成员函数PrintA，这里并不会产生什么错误（理由同上），但是PrintA函数中打印了成员变量_a，成员变量_a只有通过对this指针进行解引用才能访问到，而this指针此时接收的是nullptr，对空进行解引用必然会导致程序的崩溃。

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