C++类和对象1

1.类的定义

1.1类的定义格式

先以一个简单的栈举例：

• 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。

#include
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

• 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。
  以一个日期类为例：

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;
}

• 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.

#include
using namespace std;
// C++升级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;
// C++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;
};

• 定义在类里面的成员函数默认为inline

1.2访问限定符

定义：访问限定符是C++一种实现封装的方式，用类将对象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，在类外定义成员时，需要使用::作用域操作符来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:
	// 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;
}

2.实例化

2.1实例化的概念

定义：用类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化对象。
以日期类为例：

#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类实例化出对象d1和d2,开辟了空间
	Date d1;
	Date d2;
	d1.Init(2024, 3, 31);
	d1.Print();
	d2.Init(2024, 7, 5);
	d2.Print();
	return 0;
}

• 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。

2.2对象大小

类对象中确实包含成员变量，每个对象都有独立的数据空间来存储这些成员变量。
例如，对于一个 Date 类：

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

//当实例化两个对象 d1 和 d2 时：
Date d1;
Date d2;

• d1 和 d2 各自拥有独立的 _year、_month 和 _day，它们存储在对象自己的内存空间中。
• 这些成员变量用于存储每个对象的特定数据，互不干扰。

类对象中的成员函数

成员函数在类对象中并不直接存储。原因如下：
1.成员函数的本质：
成员函数被编译后是一段指令代码，这些指令存储在代码段中，而不是存储在对象的数据空间中。代码段是共享的，所有对象调用同一个成员函数时，实际上调用的是同一个代码段中的指令。
2.函数指针的存储问题：

• 如果成员函数的指针存储在对象中，那么每个对象都会重复存储相同的指针，这是不必要的浪费。
• 例如，d1 和 d2 的 Init 和 Print 函数指针是相同的，存储在对象中会导致大量重复。

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齐的规则。

内存对齐原则

• 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
• 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。

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？因为如果以个字节都不给，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。

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)。也就是将要初始化的对象的地址传给this指针。
• 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。
  以日期类为例：

#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:
	// 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);// 展开表示为d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);但是不
	//能这么写因为this指针是隐藏的
	d1.Print();
	d2.Init(2024, 7, 5);
	d2.Print();
	return 0;
}

来三个例题进一步加深理解

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

这里很多人可能想选A或B就是因为看到了A* p = nullptr;认为用空指针有错。
但实际上自始至终我们的p指针都没有被解引用所以就算有空指针也是没问题的。
选C。
再看如下代码：

#include
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;
}

这里也是把p传给this指针但是cout << _a << endl;中的a实际上是通过this指针访问_a，出现了空指针的解引用。
选B。
最后再改一次代码：

#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;
}

这里看起来出现了空指针的解引用但是要搞清楚这一步：(*P).Print();和我们第一个例子中的p->Print();在底层代码是一样的，底层并不需要解引用操作。
选C。