C++类和对象（上）：从设计图到摩天大楼的构建艺术

C++类和对象（上）：从设计图到摩天大楼的构建艺术

1.1 类定义格式

• class为定义类的关键字，Stack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。
• 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识，如成员变量前⾯或者后⾯加_或者m开头，注意C++中这个并不是强制的，只是⼀些惯例，具体看公司的要求。
• C++中struct也可以定义类，C++兼容C中struct的用法，同时struct升级成了类，明显的变化是struct中可以定义函数，⼀般情况下我们还是推荐⽤class定义类。
• 定义在类⾯的成员函数默认为inline。

#include<iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:// 成员函数 void Init(int n = 4){array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (nullptr == array){perror("malloc申请空间失败");return;}capacity = n;top = 0;}void Push(int x){// ...扩容 array[top++] = x;}int Top(){assert(top > 0);return array[top - 1];}void Destroy(){free(array);array = nullptr;top = capacity = 0;}
private:// 成员变量 int* array;size_t capacity;size_t top;
}; // 分号不能省略 
int main()
{Stack st;st.Init();st.Push(1);st.Push(2);cout << st.Top() << endl;st.Destroy();return 0;
}

1.2 访问限定符

• C++⼀种实现封装的⽅式，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。
• public修饰的成员在类外可以直接被访问；protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问，protected和private是⼀样的，以后继承章节才能体现出他们的区别。
• 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，如果后⾯没有访问限定符,作用域就到}即类结束。
• class定义成员没有被访问限定符修饰时默认为private，struct默认为public。
• ⼀般成员变量都会被限制为private/protected，需要给别⼈使⽤的成员函数会放为public。

1.3 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。
• 类域影响的是编译的查找规则，下⾯程序中Init如果不指定类域Stack，那么编译器就把Init当成全局函数，那么编译时，找不到array等成员的声明/定义在哪⾥，就会报错。指定类域Stack，就是知道Init是成员函数，当前域找不到的array等成员，就会到类域中去查找。

#include<iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:// 成员函数​void Init(int n = 4);
//访问限定符
private:// 成员变量​int* array;size_t capacity;size_t top;
};
// 声明和定义分离，需要指定类域​
void Stack::Init(int n)
{array = (int*)malloc(sizeof(int) * n); if (nullptr == array){perror("malloc申请空间失败");return;}capacity = n;top = 0;
}
int main()
{Stack st;st.Init();return 0;
}

2.实例化

2.1 实例化概念

• ⽤类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。
• 类是对象进⾏⼀种抽象描述，是⼀个模型⼀样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只是声明，没有分配空间，⽤类实例化出对象时，才会分配空间。
• 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:// 这里只是声明，没有开空间​int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{// Date类实例化出对象d1和d2​ Date d1;Date d2;d1.Init(2024, 3, 31);d1.Print();d2.Init(2024, 7, 5);d2.Print();return 0;
}

2.2 对象大小

分析⼀下类对象中哪些成员呢？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。

上⾯我们分析了对象中只存储成员变量，C++规定类实例化的对象也要符合内存对⻬的规则。

内存对齐规则
• 第⼀个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
• 其他成员变量要对齐到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
• 注意：对齐数=编译器默认的⼀个对⻬数与该成员大小的较小值。
• VS中默认的对齐数为8
• 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。
• 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对⻬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。

#include<iostream>
using namespace std;
// 计算⼀下A/B/C实例化的对象是多⼤？ 
class A
{
public:void Print(){cout << _ch << endl;}
private:char _ch;int _i;
};
class B
{
public:void Print(){//...}
};
class C
{};
int main()
{A a;B b;C c;cout << sizeof(a) << endl;cout << sizeof(b) << endl;cout << sizeof(c) << endl;return 0;
}

运行结果为8 1 1

上⾯的程序运⾏后，我们看到没有成员变量的B和C类对象的大小是1，为什么没有成员变量还要给1个 字节呢？因为如果⼀个字节都不给，怎么表⽰对象存在过呢！所以这⾥给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。

详细解析如下

根据C++对象内存布局的规则，类对象的大小主要由数据成员决定，成员函数不占用对象空间。此外，空类（没有数据成员）的大小至少为1字节，以确保每个对象有唯一的地址。

• 类A：包含一个char _ch（通常1字节）和一个int _i（通常4字节）。由于内存对齐要求（int通常需要4字节对齐），编译器会在_ch后插入3字节的填充（padding），因此类A的对象大小为8字节。

• 类B：没有数据成员，只有一个成员函数。由于没有数据成员，它被视为空类，对象大小为1字节。

• 类C：完全没有成员（空类），对象大小为1字节。

3.this指针

• Date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d1调⽤Init和Print函数时，该函数是如何知道应该访问的是d1对象还是d2对象呢？那么这⾥就要看到C++给了⼀个隐含的this指针解决这⾥的问题
• 编译器编译后，类的成员函数默认都会在形参第⼀个位置，增加⼀个当前类类型的指针，叫做this指针。⽐如Date类的Init的真实原型为， void Init(Date const this, int year, int month, int day)*
• 类的成员函数中访问成员变量，本质都是通过this指针访问的，如Init函数中给_year赋值， this->__year = year;
• **C++规定不能在实参和形参的位置显示的写this指针(**编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显示使⽤this指针。

#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:// void Init(Date* const this, int year, int month, int day) void Init(int year, int month, int day){// 编译报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值 // this = nullptr;// this->_year = year;_year = year;this->_month = month;//_month = month与之等价this->_day = day;//_day = day与之等价}void Print(){cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;}
private:// 这⾥只是声明，没有开空间 int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{// Date类实例化出对象d1和d2 Date d1;Date d2;// d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);d1.Init(2024, 3, 31);//都隐藏了this指针d1.Print();d2.Init(2024, 7, 5);d2.Print();return 0;
}

下⾯通过两个选择题测试⼀下前⾯的知识学得如何？
1.下⾯程序编译运⾏结果是（）
A、编译报错B、运⾏崩溃C、正常运⾏

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:void Print(){cout << "A::Print()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;p->Print();return 0;
}

答案：C（正常运行）

为什么不会崩溃？

1. 成员函数的调用机制：
   • 在C++中，成员函数并不存储在对象本身中，而是存储在代码区
   • 当调用p->Print()时，编译器将其转换为A::Print(p)的形式
   • 函数调用只依赖于函数地址，而不需要访问对象的数据
2. this指针的使用：
   • 在Print()函数内部，没有访问任何成员变量（如_a）
   • 因为没有解引用this指针，所以不会引发空指针访问错误
3. 如果函数访问成员变量：
   • 如果Print()函数尝试访问_a，如cout << _a << endl
   • 这时会引发空指针解引用，导致程序崩溃

但下一个例子就会运行崩溃

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:void Print(){cout << "A::Print()" << endl;cout << _a << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = nullptr;p->Print();return 0;
}

此时p就是this指针，在Print函数中引用了访问了_a,也就是对空指针进行了解引用

所以会运行崩溃

this指针存在内存哪个区域的()
A.栈 B.堆 C.静态区 D.常量区 E.对象⾥⾯

这个题选A

this指针是C++中一个隐含的指针参数，在调用成员函数时自动传递给函数。它指向当前对象的实例。在内存中，this指针本身作为函数调用的参数，通常存储在栈区（Stack），因为函数参数和局部变量都存储在栈上。

4.C++和C语言实现Stack对比

⾯向对象三⼤特性：封装、继承、多态，下⾯的对⽐我们可以初步了解⼀下封装。
通过下⾯两份代码对⽐，我们发现C++实现Stack形态上还是发⽣了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化。• C++中数据和函数都放到了类⾥⾯，通过访问限定符进⾏了限制，不能再随意通过对象直接修改数据，这是C++封装的⼀种体现，这个是最重要的变化。这⾥的封装的本质是⼀种更严格规范的管
理，避免出现乱访问修改的问题。当然封装不仅仅是这样的，我们后⾯还需要不断的去学习。
• C++中有⼀些相对⽅便的语法，⽐如Init给的缺省参数会⽅便很多，成员函数每次不需要传对象地址，因为this指针隐含的传递了，⽅便了很多，使⽤类型不再需要typedef⽤类名就很⽅便
• 在我们这个C++⼊⻔阶段实现的Stack看起来变了很多，但是实质上变化不⼤。等着我们后⾯看STL中的⽤适配器实现的Stack，⼤家再感受C++的魅⼒。

C实现Stack代码

#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;
void STInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = 0;ps->capacity = 0;
}
void STDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;
}
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);
// 满了， 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++;
}
bool STEmpty(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}
void STPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!STEmpty(ps));ps->top--;
}
STDataType STTop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!STEmpty(ps));return ps->a[ps->top - 1];
}
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++实现Stack代码

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
class Stack
{
public:// 成员函数 void Init(int n = 4){_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = n;_top = 0;}void Push(STDataType x){if (_top == _capacity){int newcapacity = _capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity * 
sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}_a = tmp;_capacity = newcapacity;}_a[_top++] = x;}void Pop(){assert(_top > 0);--_top;}bool Empty(){return _top == 0;}int Top(){assert(_top > 0);return _a[_top - 1];}void Destroy(){free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}
private:
// 成员变量 STDataType* _a;size_t _capacity;size_t _top;
};
int main()
{Stack s;s.Init();s.Push(1);s.Push(2);s.Push(3);s.Push(4);while (!s.Empty()){printf("%d\n", s.Top());s.Pop();}s.Destroy();return 0;
}

对比总结：

C语言自由度比较高，访问栈顶元素可以直接使用s.a[s.top-1]，但是不规范，且存在风险（栈为空就越界了）。而C++不支持这种写法，通过封装提供了更安全的数据访问方式。