C++：类和对象（上）

发布于：2024-05-05 ⋅ 阅读:(34) ⋅ 点赞:(0)

文章目录

面向过程和面向对象的初步认识

C语言是结构化和模块化的语言，它是基于过程的。在处理较小规模的程序时，程序员用C语言还比较得心应手。但是当问题比较复杂，程序的规模比较大时,结构化程序设计方法就显出它的不足。C程序的设计者必须细致地设计程序中的每一个细节，准确地考虑到程序运行时每一时刻发生的事情，例如各个变量的值是如何变化的,什么时候应该进行哪些输入，在屏幕上应该输出什么等。这对程序员的要求是比较高的，如果面对的是一个复杂问题，程序员往往感到力不从心。当初提出结构化程序设计方法的目的是解决软件设计危机，但是这个目标并未完全实现。

于是C++应运而生。C++既可用于基于过程的结构化程序设计，又可用于面向对象的程序设计，是一个功能强大的混合型的程序设计语言。

C++对C语言的增强，体现在两方面：

  1. 在原来基于过程的机制基础上,对C语言的功能做了不少扩充。
  2. 增加了面向对象的机制。

面向对象程序设计，是针对开发较大规模的程序而提出来的，目的是提高软件开发的效率。只有编写过大型程序的人才会真正体会到C的不足和C++的优点。
不要把面向对象和基于过程对立起来，面向对象和基于过程不是矛盾的，而是各有用途、互为补充的。在面向对象程序设计中仍然要用到结构化程序设计的知识，例如，在类中定义一个函数就需要用结构化程序设计方法来实现。任何程序设计都需要编写操作代码，具体操作的过程就是基于过程的。对于简单的问题，直接用基于过程方法就可以轻而易举地解决。

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
{
	void Init(int capacity)
	{
		int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * capacity);
		if (tmp == nullptr)
		{
			perror("malloc fail!");
			return;
		}
		_array = tmp;
		_capacity = capacity;
		_size = 0;
	}

	void Push(const int& x)
	{
		// 扩容，此处省略
		_array[_size] = x;
		_size++;
	}

	int Top()
	{
		return _array[_size - 1];
	}

	void Destroy()
	{
		if (_array != nullptr)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
	}


	int* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};

上面结构体的定义，在C++中更喜欢用class来代替。

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。
class Person
{
public:
    // 显示基本信息
    void showInfo()
    {
        cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
    }
public:
    char* _name;
    char* _sex;
    int _age;
};
  1. 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::
// 声明放在类的头文件 person.h 中
class Person
{
public:
    // 显示基本信息
    void showInfo();
    
public:
    char* _name;
    char* _sex;
    int _age;
};

// 定义放在类的实现文件 person.cpp 中
#include "person.h"

// 显示基本信息
void Person::showInfo()
{
    cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
}

一般函数更期望采用第二种方式，少数想要成为内联函数的函数可以采用第一种方式。

成员变量命名规则的建议：

// 一般在类的成员变量前面加_，以表示该变量为成员变量
class Date
{
public:
    void Init(int year)
    {
        _year = year;
    }
public:
	int _year;
};

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起，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（此处的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。

提问：C++中class和struct的区别是什么

解答：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。注意：在继承和模板参数列表位置，struct和class也有区别，在后面的文章中会介绍。

封装

面向对象的三大特征：封装，继承，多态。

在类和对象阶段，主要是研究类的封装性。那么什么是封装呢？

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。

**封装的本质是一种管理，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。

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。在类外定义成员时，需要使用::作用域操作符制定成员属于哪个类域。

class Person
{
public:
    void PrintPersonInfo();
private:
    char _name[20];
    char _gender[3];
    int _age;
};

// 这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
    cout << _name << "-" << _gender << "-" << _age << endl;
}

类的实例化

用类类型创建对象的过程，成为类的实例化。

  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。定义一个类并没有分配实际的内存空间来存储它。
  2. 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。
int main()
{
    Person._age = 100; // 编译失败：error c2059：语法错误："."
    return 0;
}

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。

class Person
{
public:
    void showInfo()
    {
        cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
    }
public:
    char* _name;
    char* _sex;
    int _age;
};

int main()
{
    Person man;
    man._name = "zhangsan";
    man._sex = "男";
    man._age = 10;
    man.showInfo();
    return 0;
}

类对象模型

类对象的存储方式的猜测

  1. 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。

  1. 代码值保存一份，在对象中保存存放代码的地址。

在这里插入图片描述

  1. 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

类对象模型

根据上述三种存储方式，那计算机到底是按照哪种方式来存储的呢？

我们可以通过对下面的不同对象分别获取大小来分析。

// 类中既有成员变量，又有成员函数
class A1
{
public:
    void f1()
    {}
public:
    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
{};

sizeof(A1) : 1 sizeof(A2) : 1 sizeof(A3) : 1

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表示这个类的对象。

this指针

this指针的引出

我们先来定义一个日期类Date

class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    
    void Print()
    {
        cout << _year << "年" << _month << "月" << _day << "日" << endl;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
    Date d1, d2;
    d1.Init(2024,1,1);
    d2.Init(2024,5,2);
    d1.Print();
    d2.Print();
    
    return 0;
}

对于上述类，有这样的一个问题：

Date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，那当d1调用Init函数时，该函数是如何知道应该设置d1对象，而不是设置d2对象呢？

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。

例如：

void Display()
{
    cout << _year << endl;
}

其实可以这样理解

void Display(Date* this)
{
    cout << this->_year << endl;
}

this可以显示使用，不能显示传递。也就是说可以在类的成员函数(非静态)内部使用this指针，但是在函数的形参表中不能出现。

问题1：this指针存在哪里？

解答1：存在栈区，因为this指针本质上是形参，形参存在栈区，作为函数栈帧的一部分。

问题2：this指针可以为空吗？

解答2：可以。请看下面代码

// 程序1可以正常运行
class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << "Print()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}
// p调用Print不会解引用，因为函数地址不在对象中，
// 所以无需解引用也可以找到函数的地址，p作为形参传给this指针

// 程序2运行崩溃
class A
{
public:
    void Print()
    {
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}
// 这里程序运行崩溃并不是因为无法进入Print函数，而是进入Print函数内部之后
// 要进行 this->_a 的操作，对空指针解引用，导致程序崩溃

C语言和C++实现Stack的对比

C语言实现

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	DataType* array;
	int capacity;
	int size;
}Stack;

void StackInit(Stack* ps)
{
    assert(ps);
    ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);
    if (NULL == ps->array)
    {
    	assert(0);
    	return;
    }
    ps->capacity = 4;
    ps->size = 0;
}

void StackPush(Stack* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);

	if (ps->size == ps->capacity)
	{
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, 
                                               sizeof(STDataType) * ps->capacity * 2);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity *= 2;
	}
	ps->a[ps->size++] = x;
}

bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return StackSize(ps) == 0;
}

int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->size;
}

void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->size--;
}

STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->a[ps->size - 1];
}

int main()
{
    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;
}

可以看到，在用C语言实现时，Stack相关操作函数有以下共性：

  1. 每个函数的第一个参数都是Stack*
  2. 函数中必须要对第一个参数检查，因为该参数可能会为NULL
  3. 函数中都是通过Stack*参数操作栈的
  4. 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法时分离的，而且实现上相对复杂一点，涉及到大量指针操作。

C++实现

typedef int DataType;

class Stack
{
public:
	void Init()
    {
        _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);
        if (NULL == _array)
        {
            assert(0);
            return;
        }
        _capacity = 4;
        _size = 0;
    }
    
    void Push(DataType data)
    {
        if (_size == _capacity)
		{
            DataType* tmp = (DataType*)realloc(_array, 
                                                  sizeof(DataType) * _capacity * 2);
            if (tmp == NULL)
            {
                perror("realloc fail");
                return;
            }
            _array = tmp;
            _capacity *= 2;
		}
        _array[_size++] = data;
    }
    
    bool Empty()
    {
        return _size == 0;
    }
    
    void Pop()
    {
        if(Empty())
            return;
        _size--;
    }
    
    DataType Top()
    {
        if(Empty())
            return 0;
        return _array[_size - 1];
    }
    
    int Size()
    {
        return _size;
    }
    
    void Destroy()
    {
        if(_array != nullptr)
        {
            free(_array);
            _array = nullptr;
            _size = 0;
            _capacity = 0;
        }
    }
    
private:
    DataType* _array;
    int _size;
    int _capacity;
};

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;
}

C++中通过类可以将数据以即操作数据的方法进行结合，通过访问权限可以控制哪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语言中需要用户自己维护。

网站公告

今日签到

点亮在社区的每一天
去签到

热门文章

最新发布