C++学习笔记——类和对象（上）

类和对象（上）

1. 类的定义

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，此外，struct的成员默认是公开的，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
using namespace std;

class Date
{
public:
	void Init(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

private:
	// 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_或者m开头
	int _year; // year_  m_year
	int _month;
	int _day;
};

int main() {
	Date d;
	d.Init(2024, 3, 31);

	return 0;
}

#include
using namespace std;

// C++将struct升级成了类
// 1、类⾥⾯可以定义函数
// 2、struct名称就可以代表类型

// C++兼容C中struct的⽤法
typedef struct ListNodeC
{
	struct ListNodeC* next;
	int val;
}LTNode;

// 不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
struct ListNodeCPP
{
	void Init(int x)
	{
		next = nullptr;
		val = x;
	}
	ListNodeCPP* next;
	int val;
};

int main() {

	return 0;
}

1.2 访问限定符

访问限定符包括：private、public、protected

• 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⼾使⽤
• 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，到后面继承会有区别
• 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
using namespace std;

class Stack
{
public:
	// 成员函数
	void Init(int n = 4);

private:
	int* array;
	size_t capacity, 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

#include
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，得到对象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

类实例化出的每个对象，都有独⽴的数据空间，但对象中只包含成员变量的空间（因为不同的对象，成员变量的值通常是不同的）而不包含成员函数，因为后者作为函数，只需要分配一份空间就能保证复用性，为每一个对象都分配空间则会造成浪费

实际上，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。但同样的，对于每一个对象来说，函数的指针也都是一样的，也就不必再浪费空间存储了

再深入一些的讲，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，而不是在运⾏时找（当然也有例外，动态多态是在运行时找的，就需要存储函数地址，这个之后会说）所以总而言之，对象的存储方式大概如下图所示

接着看看如下程序，并猜想他的运行结果

// 运行结果（）
// A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
#include
using namespace std;

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

跑一遍会发现，居然正常运行了，明明p是个空指针，没有指向一个实例化对象，怎么能够调用函数？

不过有了上述的铺垫，现在理解应当就比较容易了，因为调用函数的底层操作并不是在访问一个空地址，函数体中也没有这样的操作，所以才能够正常运行，如果像下面这样就会运行崩溃了

#include
using namespace std;

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "A::Print()" << endl;
        // 运行时异常
        // cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
    // 运行时异常
    // cout << p->_a << endl;
	return 0;
}

另外，C++规定类实例化的对象也要符合内存对⻬的规则，这与C语言结构体的内存对齐规则是一样的

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
• 其他成员变量要对⻬到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处
• VS中默认的对⻬数为8
• 结构体总⼤⼩为：最⼤对⻬数（所有变量类型最⼤者与默认对⻬参数取最⼩）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⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体的对⻬数）的整数倍

#include
using namespace std;

// 试着计算下A/B/C实例化的对象大小
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;
}

上述程序运行后，外面发现B和C的实例化对象明明没有成员变量，大小却为1，这是为了占位标识对象存在

另外提一嘴，为什么要应用内存对齐规则，这不是造成了空间浪费吗？

这里需要知道一个前提，CPU在读取数据的时候，不是能从任意位置读取的，比方说一次只能读4个字节（具体读多少，不同机器不同，这里仅举例）那么就不能从第3个字节的位置开始读

假设一个结构体存储了一个char类型的变量和一个int类型的变量，现在要读取该int类型的变量，在两种不同的存储方式下，读取效率是不一样的

所以，内存对齐规则其实是一种空间换时间的做法

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
• 通常意义上this指针存在内存的栈区，因为被认作是一个形参（有的编译器在实现时，可能会放在寄存器中）

#include
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;
		this->_day = day;
	}

	void Print() {
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main() {
	Date d1;
	Date d2;

	// d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);
	d1.Init(2024, 3, 31);
	d1.Print();

	d2.Init(2024, 7, 5);
	d2.Print();

	return 0;
}

4. C++的封装

⾯向对象三⼤特性：封装、继承、多态

• 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，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