类和对象（一）

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。

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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。

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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

struct Stack {int* _a;int _capacity;int _size;//数据个数void Init(int capacity) {_a = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);_capacity = _size = 0;}void Destroy() {if (_a != nullptr) {free(_a);}_a = NULL;_capacity = _size = 0;}void Push(int x) {_a[_size++] = x;}int Top() {return _a[_size - 1];}
};int main()
{Stack s;s.Init(6);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来定义
struct在C中的用法依旧可以使用，但是同时它也升级成了类

另外，推荐大家在成员变量前加一个‘_’，这样的话可以更好分辨，以免在需要赋值的时候出现名称重复的情况

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(就像刚才的结构体示例一样），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::
//声明放在Person.h中
class Person {
public :void showInfo();
public:char* _name;char* _sex;int _age;
};//定义放在类的实现文件Person.cpp中
void Person::showInfo() {cout << _name << _sex << _age;
}

一般情况下，更期望采用第二种方式。注意：上课为了方便演示使用方式一定义类，大家后序工作中尽量使用第二种。

类的访问限定符及封装

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。

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【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

C++中struct和class的区别

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，struct和class也有区别，后序给大家介绍。

封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。
在类和对象阶段，主要是研究类的封装特性，那什么是封装呢？
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。

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。

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。（一般变量私有，函数公有）
这里的特点就是封装：1、数据和方法都放到类里面；2、访问限制符去对成员进行限制

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，就像我们先前示范的Person类一样
当我们使用域操作符，在搜索函数的时候，就会先去局部搜索，再去类域搜索，最后去全局域

类的实例化

虽然刚才我们在类里面放的成员变量很像定义和声明，但实际上，它们只是声明，只有当它们变成对象的一部分，也就是开辟空间时，才是真正的定义

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。
    类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。
    谜语：“年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈” 谜底：山羊
  1. 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

Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄

int main()
{Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”return 0;
}
  1. 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

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类对象模型

我们可能会疑惑，类中既有成员变量，也有成员函数，那么一个类的对象中包含了什么，如何计算一个类的大小？

类对象的存储方式猜测

1、对象中包含类的各个成员
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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，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？

所以，由此可见，这种存储方式是错误的，我们没有必要为相同的函数代码重复开辟空间

2、代码只保存一份，在对象中保存存放代码的地址
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3、只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段
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那么接下来我们用sizeof来计算一下类的空间，来证明到底我们类中是如何存储的
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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。

顺嘴一提，sizeof（对象）和sizeof（类）的结果是一样的
并且，类跟结构体一样，是都需要内存对齐的，所以大家需要牢记结构体的对齐规则，以免在计算类的大小时出错

内存对齐：会导致空间浪费，为什么内存对齐？Ⅰ一般一次读四个或者八个字节Ⅱ硬件规定从整数倍数开始读 ，如果我们有一个这样的情况的话，读a就要读两次
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如果我们没有内存对齐，那么一次读4个字节，读了i和a的前三个字节，而第二次读4个字节，读了a的后一个字节，使a读了两次；如果内存对齐，那么a会从分界线后面开始存储，那么第一次读i，第二次读a，a只读了一次，不会降低效率
内容补充： 如果想改默认对齐数，可以使用#pragama pack(数字)，这样就可以更改默认对齐数

疑难解答

大家先看下面这个情节：

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明明我们的p3虽然属于Person类，但是确是一个空指针，那它为什么可以调用f（）函数呢？实际上我们知道，f（）函数并不是存储在Person类中，而是存储在一个公共区域，虽然我们使用箭头指向了f（），但是并没有解引用

this指针

我们先看一下这个Calendar类，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p1调用 Init 函
数时，该函数是如何知道应该设置p1对象，而不是设置p2对象呢？

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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，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

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this指针存储在哪里

对象

这个首先不可能，因为对象的内存中根本就没有this指针的大小

常量区

this指针的类型是类型*const， * 在const的前面，所以const修饰的是指针本身，指针无法更改指向；我们在C语言里面，加了const的都是常量，但是C++里面不是

堆

这个当然也不可能，堆的空间是需要使用malloc等开辟的，this指针是类实例化之后就直接可以使用的，并不需要创建一块空间存储this指针

静态区

只有static修饰的变量和全局变量在静态区

栈

之前我们说过，它是一个形参，而形参都是在栈上存储的

疑难解答（二）

class A {
private:int _a;public:void f() {//cout << "void f()" << endl;//正常运行cout << _a << endl;//引发了异常: 读取访问权限冲突,this 是 nullptr。}
};int main()
{A* p = nullptr;p->f();return 0;
}

这里又是为什么呢？为什么一个正常运行，一个却运行异常呢？问题就出在调用f（）函数上。第一次我们只是输出了一个常量，没有对空指针进行解引用，所以没问题；但是第二次，我们输出的是成员变量_a,需要解引用获得_a的值，所以引发异常，因为我们的this指针是空指针

所以，理论上，this指针本身不可能为空，因为它是在对象的方法内部隐式传递的。

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另外，如果把p改成*p，结果也是一样的，只要没有解引用，结果都不会发生变化

C语言和C++实现栈的比较

typedef int DataType;
typedef struct Stack {DataType* a;int capacity;int size;
}Stack;void StackInit(Stack* ps) {assert(ps);ps->a = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);if (ps->a == NULL) {perror("malloc fail:");return;}ps->size = 0;ps->capacity = 4;
}void StackDestroy(Stack* ps) {assert(ps);if (ps->a != NULL) {free(ps->a);}ps->a = NULL;ps->size = ps->capacity = 0;
}void StackPush(Stack* ps, DataType x) {assert(ps);assert(ps->capacity != ps->size);ps->a[ps->size++] = x;
}void StackPop(Stack* ps) {assert(ps);assert(ps->size);ps->size--;
}

这是写的简易版本的，只是为了给大家展示一下写法的不同，所以希望大家只需要比较两者之间的不同即可

  • 可以看到，在用C语言实现时，Stack相关操作函数有以下共性：
    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检测，因为该参数可能会为NULL
    函数中都是通过Stack*参数操作栈的调用时必须传递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放在结构体中，即数据和操作数据的方式是分离开的，而且实现上相当复杂一点，涉及到大量指针操作，稍不注意可能就会出错。
typedef int DataType;
class Stack {
public:void Init(int capacity) {_a = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (_a == nullptr) {perror("malloc fail:");return;}_size = 0;_capacity = capacity;}void Destroy() {if (_a)free(_a);_a = nullptr;_size = _capacity = 0;}void Push(DataType x) {_a[_size++] = x;}void Pop() {assert(_size != _capacity);_size--;}private:DataType* _a;int _size;int _capacity;
};

可以发现，我们使用起来得心应手，C++中通过类可以将数据 以及 操作数据的方法进行完美结合，通过访问权限可以控制那些方法在类外可以被调用，即封装，在使用时就像使用自己的成员一样，更符合人类对一件事物的认知。而且每个方法不需要传递Stack*的参数了，编译器编译之后该参数会自动还原，即C++中 Stack * 参数是编译器维护的，C语言中需用用户自己维护。

在后面的文章中，我们将讲解六个默认成员函数，这是我们的重头戏，希望大家看完后可以对类和对象有一个更深的了解！

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