【C++】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上一个特殊标识，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，只是一些公司的惯例，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，一般情况下还是推荐用class定义类。
• 定义在类前面的成员函数默认为inline。

1.2 访问限定符

• C++一种实现封装的方式，用类将对象的属性和方法结合在一块，让对象更加完善，通过访问权限选择性的将其借口提供给在外部的用户使用。
• 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，在继承部分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。

//以下是c++实现数据结构栈的部分演示
#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
int main()
{
    Stack st;
    st.Init();
    st.Push(1);
    st.Push(2);
    cout << st.Top() << endl;
    st.Destroy();
    return 0;
}

不难看出，c++中的类和c语言中的结构体很类似，但也有不同：

1. c++升级struct升级成了类
2. 类里面可以定义函数
3. struct名称就可以代表类型，并且c++兼容c中struct的用法

#include
using namespace std;

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;
}

1.3 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:
    // 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，类就像设计图，规划了有多少个房间，房间的大小功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住人，用设计图修出了房子，房子才能住人。同样，类就像设计图，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

对象中只存储成员变量，c++规定实例化的对象也要符合内存对齐的规则。

内存对齐规则：

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。
3. 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。
4. vs的默认对齐数为8.
5. 结构体的总大小为：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。
6. 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。

 特殊的：没有成员变量的类的大小为1，来表示它“存在过”，如以下例题中的B和C。

#include
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;
}

3.this指针

• date类中有init与print两个成员函数，函数体没有关于不同对象的区分，那当d1调用init和print函数时，该函数如何知道应该访问d1对象还是d2对象呢？就看c++给出的隐含的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，比如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出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
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(&d1, 2024, 3, 31);
    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();
    d2.Init(2024, 7, 5);
    d2.Print();
    return 0;
}

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。

底层和逻辑没什么变化。

• 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。

• 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。

//C语言实现stack
#include
#include
#include
#include
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
#include
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;
}