【C++之类和对象篇001】

C++知识类和对象篇

前言：
前面篇章学习了C++对于C语言的语法优化，接下来继续学习，C++的类和对象的知识。
/知识点汇总/

1、面向过程和面向对象

面向过程和面向对象是两种不同的编程范式，每种范式都有其自身的优点和适用场景。

1.1、面向过程

面向过程编程是从问题所需要完成的任务出发，按照任务的执行顺序，将其分解为一系列的步骤， 然后按照步骤的先后顺序编写代码。这种编程范式的优点是代码简单易懂，可读性强，适用于较小的项目或者需要精细控制的项目。
然而，面向过程的代码可维护性较差，如果需求发生变化，需要对大量的代码进行修改，并且难以复用。

1.2、面向对象

面向对象编程则是从问题的对象出发，将问题分解为一系列的对象和对象之间的关系，然后通过定义对象的属性和方法来实现问题的解决。
这种编程范式的优点是代码复用性强，可维护性好，易于扩展和修改。面向对象的代码结构清晰，易于理解和维护。
然而，面向对象的代码可读性可能较差，需要一定的学习和理解成本。

小结：

在实践中，选择使用哪种编程范式需要根据具体的情况而定。 如果项目规模较小，或者需要精细控制项目的执行流程，可以使用面向过程的编程范式。
如果项目规模较大，需求变化频繁，需要高可维护性和高复用性的代码，则可以使用面向对象的编程范式。
面向过程：关注如何完成任务。把问题拆分成一系列的步骤，然后按顺序执行这些步骤来解决问题。优点是简单直接，缺点是修改困难，不易复用。
面向对象：关注要处理的对象。把问题拆分成各种对象，这些对象有自己的属性和方法。优点是修改和扩展容易，复用性强，缺点是需要一定的学习成本。
简而言之，面向过程就是“按步骤完成任务”，而面向对象则是“和各种对象打交道”。

2、类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体不仅可以定义变量，还可以定义函数，也可以称为类。即，struct 和 class
C++兼容C的struct的用法，并且同时升级成来了类，引入class关键字

#include 
using namespace std;
struct Stack
{
	//成员变量
	int* a;
	int top;
	int capacity;
	//成员函数
	void Init(int n = 4)
	{
		a = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
		if (a == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		capacity = n;
		//top = -1;
		top = 0;
	}
	void PushBack(int x)
	{
		//注意当top初始化-1开始时，判断栈满的条件应该是capacity-1
		//if (top == capacity-1)
		//top == capacity为top从0开始
		if (top == capacity)
		{
			int newcapacity = capacity == 0 ? 4 : capacity * 2;
			int* tmp = (int*)realloc(a, sizeof(int) * newcapacity);//realloc自动释放
			if (tmp == nullptr)
			{
				perror("realloc fail");
				return;
			}
			a = tmp;
			capacity = newcapacity;
			//realloc会自动释放
			//free(tmp);
			//tmp = nullptr;
		}
		//a[++top] = x;
		a[top++] = x;
	}
	void PopBack()
	{
		top--;
	}
	int Gettop()
	{
		//return a[top];
		return a[top - 1];
	}
	bool Empty()
	{
		return top == 0;
		//return top == -1;
	}
	void Destroy()
	{
		free(a);
		a = nullptr;
		capacity = 0;
		top = 0;
		//top = -1;
	}
};
int main()
{
	//C++两种写法都行
	//struct Stack st1;
	Stack st2;

	st2.Init();
	st2.PushBack(1);
	st2.PushBack(2);
	st2.PushBack(3);
	st2.PushBack(4);
	st2.PushBack(5);

	while (!st2.Empty())
	{
		cout << st2.Gettop() << endl;
		st2.PopBack();
	}
	st2.Destroy();
	return 0;
}

3、类的定义

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。

格式：
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

3.1、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。
   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::

成员变量命名规则的建议：

// 我们看看这个函数，是不是傻傻分不清？
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;
};

所以一般都建议这样，成员变量名取一个下划线，从而避免混淆。

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;
};

4、类的访问限定符及封装

4.1、类的访问限定符

C++类提供三种访问限定符
1.public(公有)
2.protected(保护)
3.private(私有)

#include 
using namespace std;

//struct和class功能上基本没什么区别，唯一的区别就是：
//struct不带访问限定符时，默认为公有
//struct Date
//等价
//class不带访问限定符时，默认为私有
class Date
{
public://公有的
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private://私有的
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date s;
	s.Init(2024, 1, 24);

	return 0;
}

一般情况下：成员变量是私有，成员函数是公有。
同时，声明和定义在不同文件中时，可能会出现找不到定义的情况，其原因是因为编译器默认的搜索方式是局部搜索和全局搜索。
所以类的域，要使用其成员需要用类名+::(域操作符)

小结：

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

扩展了解：
面向对象的三大特性：封装、继承、多态

1.封装（Encapsulation）： 封装是指将相关的数据和方法组合在一起形成一个类，并对外部隐藏内部实现细节，只提供必要的接口。 通过封装，我们可以控制对类的访问权限，保护数据的安全性，同时提供更简洁的接口供其他对象使用。
2.继承（Inheritance）： 继承是指通过已存在的类创建新的类，并使新类具有原始类的属性和方法。 继承可以实现代码的重用、扩展和层次化的结构。在继承关系中，原始类被称为父类或基类，新创建的类被称为子类或派生类。
子类可以继承父类的属性和方法，并且可以添加自己特有的属性和方法。
3.多态（Polymorphism）：
多态是指同一个方法调用可以有多个不同的表现形式。具体来说，多态允许使用同一个方法名但具有不同参数类型或参数数量的方法来实现不同的行为。
这样可以增加代码的灵活性和可扩展性，提高代码的可维护性和可读性。

小结：
这三大特性是面向对象编程的基石，它们使得代码更加模块化、可复用和易于扩展，提高了软件开发的效率和质量。封装的本质属于是一种管控。
1.C++数据和方法都放在类里面；
2.C++通过访问限定符进行限制，想给你访问的是公有，不想给你访问的是私有或保护。
3.封装作用：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。

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。

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;
}

6、类的实例化

6.1、类的实例化

简单理解就是，用类的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。
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
3.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

#include 
using namespace std;
class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		//cout.flush(); // 手动刷新输出流
		cout << "PrintA finished." << endl;
	}
private:
	char _a;
};
int main()
{
	//class A d0;//可与C的struct用法相同
	A d1; //定义，即：对象实例化
	
	//A::_a++; //编译错误，因为它是声明不是定义
	//声明和定义：本质就是判断是否开辟新空间。

	//a1._a++;//编译出错，访问限定符私有
	d1.PrintA();
	return 0;
}

6.2、类域受访问限定符控制

#include 
using namespace std;
class Date
{
public://公有的
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void PrintA()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
private://私有的
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1;
	Date d2;
	
	//私有
	//d1._year; //类域受访问限定符控制
	//d2._year; //类域受访问限定符控制

	d1.Init(2024, 1, 24);
	d2.Init(2024, 1, 24);

	d1.PrintA();
	d2.PrintA();
	return 0;
}

小结：本质就是判断是否开辟新空间。

6.3、类对象的存放

类对象的存放，只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段

#include 
using namespace std;

// 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
{};
int main()
{
	cout << sizeof(A1) << endl;
	//没有成员变量的类对象大小1byte,目的是占位，标识对象实例化时，具有表示对象存在的意义。
	cout << sizeof(A2) << endl;
	cout << sizeof(A3) << endl;
	return 0;
}

7、类的对象模型

7.1、计算类对象的大小

class A
{
public:
	void PrintA()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	char _a;
};

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？
又如何计算一个类的大小？
一个类的对象包含了该类定义的所有成员变量和成员函数。
成员变量是对象的数据，而成员函数是对象的行为或操作。
计算大小：

#include 
class MyClass {
	int a;
	double b;
	char c;
	void myFunction() {}
public:
	void anotherFunction() {}
};
int main() {
	std::cout << "Size of MyClass: " << sizeof(MyClass) << " bytes" << std::endl;
	return 0;
}

结论：
一个类的大小，实际就是该类中”成员变量”之和，当然还要注意内存对齐，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。

7.2、C++结构体内存对齐规则

C++结构体内存对齐规则与C语言相同

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。

内存对齐：会导致空间浪费，为什么要内存对齐？

首先，硬件的层面，32根地址线，程序运行就会固定消耗32位，那么读取都是一次读4/8byte,
然后，以最大的对齐数的整数倍开始读，否则，读a可能会需要读两次再组合。

#include 
using namespace std;
//设置对齐数
#pragma pack(1)
class A
{
public:
	char _a;
	int _i;
};
class B
{
public:
	int _i;
	char _a;
};
int main()
{
	return 0;
}

8、this指针

8.1、this指针的引出

编译器在编译一个普通成员函数时，会隐式地增加一个形参 this，并把当前对象的地址赋值给 this，所以普通成员函数能在创建对象后通过对象来调用并访问该对象的成员变量。

#include 
using namespace std;
class Date
{
public://公有的
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	//编译器完成。
	//void Print(Date* this)
	//{
	//	cout << this_year << "-" << this_month << "_" << this_day << endl;
	//}
	//特点：1.实参和形参不能显式的写（编译器完成，隐式的）
	//2.函数内部可以正常使用。
	void print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "_" << _day << endl;
	}
private://私有的
	//不存在内存里
	//只是声明
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	//跟着对象走的
	Date d1;
	d1.Init(2024, 1, 27);

	Date d2;
	d2.Init(2024, 1, 27);

	//原型
	//d1.print(&d1);
	//d2.print(&d2);
	return 0;
}

探究：
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 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？（编译器完成，隐式的）

小结：
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。

8.2、this指针存在哪里？

通常存在栈区，因为它是作为函数的隐式形参，形参是存在栈区的。某些编译器是用的寄存器传参。

#include 
using namespace std;
class Date
{
public://公有的
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "_" << _day << endl;
	}
private://私有的
	//不存在内存里
	//只是声明,加缺省参数，不是初始化
	//本质看是否开辟空间
	int _year = 1;
	int _month = 2;
	int _day;
};
int main()
{
	//跟着对象走的
	Date d1;
	d1.Init(2024, 1, 27);

	Date d2;
	d2.Init(2024, 1, 27);

	//某些编译器是用的寄存器传参
	//栈区
	const int i = 0;
	int j = 1;
	const char* p = "abcdef";
	cout << &i << endl;
	cout << &j << endl;
	cout << &p << endl;
	//常量区
	cout << (void*)&p << endl;
	return 0;
}

8.3、this可以为NULL

#include 
using namespace std;

class A2
{
public:
	void f2()
	{
		cout << "void f2()" << endl;//空指针传参但并没有访问和解引用
		cout << this << endl;//this次数传参是空指针，访问打印出来，并没有解引用所以也没有问题。
		//cout << _a << endl;//对空指针进行了访问并解引用操作，输入非法操作，报错。
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//2.运行错误？指向f2()对空指针解引用了
	A2* p1 = nullptr;
	p1->f2();

	//3.正常运行？有访问成员，但是并没有解引用。
	//因为没有存在对象里面。
	A2* p2 = nullptr;
	p2->f2();
	
	//3.正常运行，首先f2并没有存在对象里面（public），其次（*p3）解引用，并没有去空指针内存进行操作。这里只作为传递。
	//(*p3).f2等价于p2->f2
	A2* p3 = nullptr;
	(*p3).f2();
	return 0;
}

8.4、tthis特性总结

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