【C++篇】类与对象的秘密（上）

2024-10-20 07:09:20

目录

引言

一、类的定义

1.1类定义的基本格式

1.2 成员命名规范

1.3 class与struct的区别

1.4 访问限定符

1.5 类的作用域

二、实例化

2.1 类的实例化

2.2 对象的大小与内存对齐

三、this 指针

3.1 this指针的基本用法

3.2 为什么需要this指针？

3.3 this指针的限制

四、C++和C语言实现Stack的对比

4.1 C语言实现Stack

4.2 C++语言实现Stack

4.3 C++与C实现的对比总结

五、总结

引言

在C++中，类和对象是面向对象编程的基础组成部分。通过类，程序员可以对现实世界的实体进行模拟和抽象。类的基本概念包括成员变量、成员函数、访问控制等。本篇博客将介绍C++类与对象的基础知识，为后续学习打下良好的基础。

一、类的定义

在C++中，类通过将数据和行为封装在一起，模拟现实世界中的对象。类的定义通常包含成员变量（描述对象的状态）和成员函数（定义对象的行为）。类的定义使用class关键字，并以分号结束。

1.1类定义的基本格式

类的定义格式如下所示：

#include <iostream>
using namespace std;
​
class Stack {
public:
    // 初始化栈
    void Init(int n = 4) {
        array = new int[n];
        capacity = n;
        top = 0;
    }
​
    // 将元素推入栈
    void Push(int x) {
        array[top++] = x;
    }
​
    // 获取栈顶元素
    int Top() {
        if (top > 0) {
            return array[top - 1];
        }
        return -1; // 栈为空时返回-1
    }
​
    // 销毁栈
    void Destroy() {
        delete[] array;
        array = nullptr;
        top = capacity = 0;
    }
​
private:
    int* array;      // 栈数据数组
    size_t capacity; // 栈容量
    size_t top;      // 栈顶指针
};
​
int main() {
    Stack st;
    st.Init();
    st.Push(1);
    st.Push(2);
    cout << st.Top() << endl;
    st.Destroy();
    return 0;
}

在上述代码中：

  • class关键字用于定义类，Stack是类的名称。

  • public修饰的成员函数可以在类的外部访问，例如Init、Push、Top和Destroy。

  • private修饰的成员变量（如array、capacity和top）只能在类的内部访问，无法在类外部直接使用。

1.2 成员命名规范

在C++中，通常会为类的成员变量使用特定的命名约定，以避免与函数参数或局部变量混淆。这些命名约定可以提高代码的可读性和维护性。例如：

  • 使用下划线前缀：如_year。

  • 使用m_前缀：如m_month。

  • 使用驼峰命名法：如dayOfMonth。

1.3 class与struct的区别

C++中的class和struct的主要区别在于默认的访问权限：

  • 在class中，未标明的成员变量和成员函数默认是private。

    struct ExampleClass {
    int a; // 默认 private
};

  • 在struct中，未标明的成员变量和成员函数默认是public。

    struct ExampleStruct {
    int a; // 默认 public
};

1.4 访问限定符

访问限定符用于控制类的成员的可见性。C++支持三种访问限定符：

  • public：公共成员可以在类的外部访问。

  • private：私有成员只能在类的内部访问。

  • protected：保护成员只能在类内部或派生类中访问（会在继承中详细讲解）。

 

访问限定符从出现的位置开始生效，直到遇到下一个访问限定符或类定义结束为止。例如：

class Date {
public:
    void Init(int year, int month, int day) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
​
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
​
int main() {
    Date d;
    d.Init(2024, 3, 31);
    // 无法直接访问 _year, _month, _day，因为它们是私有成员
    return 0;
}

在上述示例中，Init函数是公共的，可以在类外部调用；而_year、_month和_day是私有的，只能通过成员函数访问。

1.5 类的作用域

类的作用域决定了类成员的可访问性。当在类的外部定义成员函数时，需要使用作用域解析符::来指明成员函数所属的类。

#include <iostream>
using namespace std;
​
class Stack {
public:
    void Init(int n = 4);
private:
    int* array;
    size_t capacity;
    size_t top;
};
​
// 在类外定义成员函数
void Stack::Init(int n) {
    array = new int[n];
    capacity = n;
    top = 0;
}
​
int main() {
    Stack st;
    st.Init();
    return 0;
}

通过使用Stack::Init，编译器可以知道Init函数属于Stack类，并能在类的作用域中查找成员变量array、capacity和top。

二、实例化

2.1 类的实例化

实例化是指在物理内存中创建对象的过程。类提供了对象的结构和行为，但本身不占用物理空间，只有实例化后才会在内存中分配空间。

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。打个⽐⽅：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，设计图规划了有多少个房间，房间⼤⼩功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住⼈，⽤设计图修建出房⼦，房⼦才能住⼈。同样类就像设计图⼀样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据。 
#include <iostream>
using namespace std;
​
class Date {
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() {
    Date d1;
    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();
    return 0;
}

在上述代码中，Date d1实例化了一个Date对象，并调用了Init和Print成员函数。

2.2 对象的大小与内存对齐

对象的大小由成员变量决定，成员函数不影响对象的大小。

类实例化出的每个对象，都有独⽴的数据空间，所以对象中肯定包含成员变量，那么成员函数是否包含呢？⾸先函数被编译后是⼀段指令，对象中没办法存储，这些指令存储在⼀个单独的区域(代码段)，那么对象中⾮要存储的话，只能是成员函数的指针。再分析⼀下，对
象中是否有存储指针的必要呢，Date实例化d1和d2两个对象，d1和d2都有各⾃独⽴的成员变量_year/_month/_day存储各⾃的数据，但是d1和d2的成员函数Init/Print指针却是⼀样的，存储在对象中就浪费了。如果⽤Date实例化100个对象，那么成员函数指针就重复存储100次，太浪费了。这⾥需要再额外哆嗦⼀下， 其实函数指针是不需要存储的，函数指针是⼀个地址，调⽤函数被编译成汇编指令[call 地址]， 其实编译器在编译链接时，就要找到函数的地址，不是在运⾏时找 ，只有动态多态是在运⾏时找，就需要存储函数地址，这个我们以后会讲解。

C++规定类的对象也需要符合内存对齐的规则，以提高访问效率。

#include <iostream>
using namespace std;
​
class A {
private:
    char _ch; // 1 字节
    int _i;   // 4 字节
};
​
int main() {
    A a;
    cout << sizeof(a) << endl; // 输出8字节，因内存对齐
    return 0;
}

虽然_ch和_i占用5字节，但由于内存对齐，实际大小为8字节。这样可以优化内存访问的性能。

结构体对齐详细介绍可参考我的另一篇博客 。

三、this 指针

this指针是C++中的一个隐含指针，指向调用成员函数的当前对象。它存在于每一个非静态成员函数中，用于区分成员变量和函数参数。当成员函数被调用时，this指针会自动传递给函数，使其能够访问调用该函数的对象的成员。

3.1 this指针的基本用法

在成员函数中，this指针用于访问当前对象的成员变量。例如：

class Date {
public:
    void Init(int year, int month, int day) {
        this->_year = year; // 使用 this 指针
        this->_month = month;
        this->_day = day;
    }
​
    void Print() {
        cout << this->_year << "/" << this->_month << "/" << this->_day << endl;
    }
​
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
​
int main() {
    Date d1;
    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();
    return 0;
}

在上述代码中，this->_year = year将参数year的值赋给当前对象的_year成员变量。this指针指向调用Init函数的对象（即d1），使得函数能够正确地操作对象的数据。

3.2 为什么需要this指针？

this指针在以下情况下特别有用：

  1. 当成员变量和函数参数同名时，使用this可以避免命名冲突。

  2. 在链式调用中，返回*this可以实现对同一对象的连续操作。

class Person {
public:
    Person& SetName(const string& name) {
        this->name = name;
        return *this;
    }
​
    Person& SetAge(int age) {
        this->age = age;
        return *this;
    }
​
    void Display() {
        cout << "Name: "
​
 << name << ", Age: " << age << endl;
    }
​
private:
    string name;
    int age;
};
​
int main() {
    Person p;
    p.SetName("Alice").SetAge(30).Display();
    return 0;
}

在上述示例中，SetName和SetAge函数返回*this，使得可以进行链式调用，即p.SetName("Alice").SetAge(30).Display()。

3.3 this指针的限制

this指针是只读的，无法修改其指向。此外，在静态成员函数中无法使用this指针，因为静态成员函数不与任何对象关联。

四、C++和C语言实现Stack的对比

C++和C的区别不仅仅在于语法，而是在编程思想上的转变。C++是面向对象的编程语言，其三大特性为封装、继承和多态。在本节中，我们将通过对比C和C++两种语言的Stack实现来初步了解封装特性的优势。

4.1 C语言实现Stack

在C语言中，Stack的实现需要使用struct来定义栈的数据结构，并通过一系列函数来操作栈。数据和函数是分开的，操作时需要手动传递结构体指针来访问数据。

C语言Stack的代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>

typedef int STDataType;

typedef struct Stack {
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
} ST;

// 初始化栈
void STInit(ST* ps) {
    assert(ps);
    ps->a = NULL;
    ps->top = 0;
    ps->capacity = 0;
}

// 销毁栈
void STDestroy(ST* ps) {
    assert(ps);
    free(ps->a);
    ps->a = NULL;
    ps->top = ps->capacity = 0;
}

// 入栈
void STPush(ST* ps, STDataType x) {
    assert(ps);
    // 栈满时扩容
    if (ps->top == ps->capacity) {
        int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
        STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
        if (tmp == NULL) {
            perror("realloc fail");
            return;
        }
        ps->a = tmp;
        ps->capacity = newcapacity;
    }
    ps->a[ps->top] = x;
    ps->top++;
}

// 检查栈是否为空
bool STEmpty(ST* ps) {
    assert(ps);
    return ps->top == 0;
}

// 出栈
void STPop(ST* ps) {
    assert(ps);
    assert(!STEmpty(ps));
    ps->top--;
}

// 获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* ps) {
    assert(ps);
    assert(!STEmpty(ps));
    return ps->a[ps->top - 1];
}

// 获取栈的大小
int STSize(ST* ps) {
    assert(ps);
    return ps->top;
}

int main() {
    ST s;
    STInit(&s);
    STPush(&s, 1);
    STPush(&s, 2);
    STPush(&s, 3);
    STPush(&s, 4);
    while (!STEmpty(&s)) {
        printf("%d\n", STTop(&s));
        STPop(&s);
    }
    STDestroy(&s);
    return 0;
}

C语言实现的特点

1.数据与操作分离：数据和操作函数是分开的，需要通过传递结构体指针来操作数据。

2.手动内存管理：程序员需要显式地进行内存分配和释放（使用malloc、realloc和free）。

3.没有封装性：所有数据都是公开的，容易被随意修改，缺乏保护机制。

4.2 C++语言实现Stack

在C++中，可以利用类的封装特性将数据和操作结合在一起，使得栈的实现更为简洁和安全。C++通过构造函数和析构函数自动管理内存，无需手动初始化和销毁栈。

C++实现Stack的代码示例

#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;

typedef int STDataType;

class Stack {
public:
    // 构造函数：初始化栈
    Stack(int n = 4) {
        _a = new STDataType[n];
        _capacity = n;
        _top = 0;
    }

    // 析构函数：释放内存
    ~Stack() {
        delete[] _a;
        _a = nullptr;
    }

    // 入栈
    void Push(STDataType x) {
        if (_top == _capacity) {
            Expand(); // 栈满时扩容
        }
        _a[_top++] = x;
    }

    // 出栈
    void Pop() {
        assert(_top > 0); // 保证栈不为空
        --_top;
    }

    // 获取栈顶元素
    STDataType Top() const {
        assert(_top > 0);
        return _a[_top - 1];
    }

    // 检查栈是否为空
    bool Empty() const {
        return _top == 0;
    }

    // 获取栈的大小
    size_t Size() const {
        return _top;
    }

private:
    STDataType* _a;      // 动态数组存储栈元素
    size_t _capacity;    // 栈的容量
    size_t _top;         // 栈顶指针

    // 辅助函数：扩容栈
    void Expand() {
        size_t newCapacity = _capacity * 2;
        STDataType* newArray = new STDataType[newCapacity];
        for (size_t i = 0; i < _top; ++i) {
            newArray[i] = _a[i];
        }
        delete[] _a;
        _a = newArray;
        _capacity = newCapacity;
    }
};

int main() {
    Stack s;
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    s.Push(4);

    cout << "栈顶元素: " << s.Top() << endl; // 输出4
    s.Pop();
    cout << "栈顶元素: " << s.Top() << endl; // 输出3

    cout << "栈的大小: " << s.Size() << endl; // 输出3

    // 继续弹出栈中元素
    while (!s.Empty()) {
        cout << s.Top() << " ";
        s.Pop();
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

C++实现的特点

1.数据与操作封装在一起：通过类的封装将数据和操作结合，使得操作更加安全和方便。

2.自动内存管理：利用构造函数和析构函数自动管理内存，无需手动调用初始化和销毁函数。

3.访问控制：可以使用private关键字将类的内部数据隐藏，防止外部直接访问，确保数据安全。

4.代码简洁：操作栈时不需要手动传递结构体指针，成员函数会自动使用this指针访问类的成员。

4.3 C++与C实现的对比总结

  1. 封装性：C++通过类的封装将数据和操作整合在一起，并且可以控制数据的访问权限（public、private、protected），从而提高了代码的安全性和可维护性。而在C语言中，所有数据成员都可以被外部随意修改，缺乏数据保护机制。

  2. 内存管理：C++使用构造函数和析构函数来管理资源，防止内存泄漏和资源浪费。而C语言需要手动管理内存，容易出现忘记释放资源的情况。

  3. 操作简便：C++使用面向对象的编程方式，使得操作对象更加直观。成员函数自动使用this指针，代码更加简洁。而在C语言中，操作数据时需要显式传递结构体指针。

  4. 代码扩展性：C++的类支持继承和多态，可以通过继承扩展类的功能，使得代码复用性和扩展性更强。而C语言没有这种机制，只能通过函数指针等手段来模拟多态。

五、总结

本文介绍了C++类与对象的基础知识，包括类的定义、访问限定符、类的作用域、实例化的概念、对象的大小、this指针的使用等内容。通过这些内容，我们初步了解了C++面向对象编程中的封装特性。C++中的类通过封装将数据和操作整合在一起，能够更好地保护数据的安全性并简化操作流程。同时，this指针的使用也为操作对象提供了便利。

尽管C++相较于C语言有诸多优点，但它的面向对象特性还包括继承和多态等内容，这些特性在构建复杂系统时显得尤为重要。后续的博客将深入探讨这些高级特性，帮助大家更好地掌握C++面向对象编程的精髓。希望这篇博客对你有所帮助，欢迎持续关注！

 

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