类与对象(1)

1.类的定义

(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。

#include<iostream>
#include<assert.h>
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;
}

• 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。

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<iostream>
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;
// 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;
}

• 定义在类面的成员函数默认为inline 。但是 在类里面声明和定义分离就不是内联函数 了。二者怎么分离在下面类域中讲。

(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（函数）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。

(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。 （声明与定义分离）

 注：类域和命名空间域都只影响名字隔离，不影响生命周期。

#include<iostream>
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;
}

• 类域影响的是编译的 查找规则 ，上面程序中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 。

2.实例化

(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:
	//声明不是定义
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
 
int main()
{
	//Date 实例化对象为d1和d2
	Date d1;
    Date d2;
	d1.Init(2024,7,13);
	d1.Print();
    d2.Init(2024,7,14);
	d2.Print();
	return 0;
}

(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 要再额外说一下， 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齐的规则。

#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;
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;
	return 0;
}

 

3.this指针

(1)概念及性质

• 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)  [  const在Date*之前修饰的是指向的对象，再Date*之后修饰的是指针本身]， 所以this指针是不可以被修改的，但this指向的对象可以被修改。

• 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。

 • this指针是存在内存哪个区域？

this其实是一个形参，形参一般存在栈帧里，但部分编译器（如VS）会优化到寄存器里。

(2)实例

所以对于上面实例化的例子，实质上可以写成： 

#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)
	{
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}
    //void Print(Date* const this)
	void Print()
	{
		cout << this->_year << "/" << this->_month << "/" << this->_day << endl;
	}
 
private:
	//声明不是定义
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
 
int main()
{
	//Date 实例化出对象d1和d2
	Date d1;
	Date d2;
 
	d1.Init(2024, 7, 13);
	d1.Print();
	d2.Init(2024, 7, 14);
	d2.Print();
	return 0;
}

(3)检测

1.下面程序编译运行结果是（C）

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;
}

1.函数调用会转换成汇编指令，P->Print()；这一句会被转化成 “call 地址”，[该地址（成员函数的指针）不在P对象里面，在编译时通过函数名就确定了地址]。对象P要调用类域，因为Print是成员函数。

2.调用函数要传递this指针（参数），以前C是lea 取地址，现在不需要取地址，因为P就是对象的地址，所以底层的汇编指令就是“mov ecx P”把p的值 mov 给 ecx ，ecx相当于存储的是this指针，再去“call 地址”。

3.进入到成员函数Print的内部，此时this是空指针，我们看到在Print函数里面，this指针并没有被解引用，所以不会报错。(空指针不会出现编译报错)

1.下面程序编译运行结果是（B）

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;
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p = nullptr;
	p->Print();
	return 0;
}

前两步与上面的解释类似，但在第三步，进入到成员函数的内部之后对空指针进行解引用(this->_a)，导致程序运行崩溃。

4.C++和C语言实现Stack对比

• 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++入门阶段实现的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语言实现栈
#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];//直接访问获取栈顶元素，可以，但不规范
}
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++实现栈
#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——>私有，更规范
	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;
}