类与对象（上）

小米里的大麦2025-04-012025-04-03

一、本节目标

面向过程和面向对象初步认识
类的引入
类的定义
类的访问限定符及封装
类的作用域
类的实例化
类的对象大小的计算
类成员函数的 this 指针

二、面向过程和面向对象初步认识（过程与面向对象编程）

面向过程编程（ProceduralProgramming）：

关注“过程”或“步骤”。
将问题分解为函数，每个函数执行一个特定的任务。
主要依赖函数调用，常见于 C 语言。

#include <stdio.h>

// 面向过程编程: 通过函数处理数据
void process(int data)
{
    printf("Processing data: %d\n", data);
}

int main() {
    int data = 42;
    process(data);
    return 0;
}

面向对象编程（Object-OrientedProgramming）：

关注“对象”，将数据与操作数据的方法结合。
通过对象之间的交互解决问题，常见于 C++。

#include <iostream>
using namespace std;

class Processor
{
public:
    void process(int data)
    {
        cout << "Processing data: " << data << endl;
    }
};

int main()
{
    Processor p;
    p.process(42);
    return 0;
}

C 语言是 面向过程 的，关注的是过程，分析出求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。
C++是 基于面向对象 的，关注的是对象，将一件事情拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成。

三、类的引入（Introduction to Classes）

C 语言结构体中只能定义变量，在 C++中，结构体内不仅可以定义变量，也可以定义函数。 例如：之前在数据结构初阶中，用 C 语言方式实现的栈，结构体中只能定义变量；但在 C++中，struct 和 class 都可以包含变量和函数。

#include <iostream>
#include <cstdlib> // for malloc and free
using namespace std;

typedef int DataType;

struct Stack
{
    DataType* array;
    size_t capacity;
    size_t size;

    // 初始化函数
    void Init(size_t cap)
    {
        array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * cap);
        if (!array)
        {
            perror("malloc failed");
            return;
        }
        capacity = cap;
        size = 0;
    }

    // 压栈操作
    void Push(const DataType& data)
    {
        array[size++] = data; // 简化的例子，未考虑扩容
    }

    // 取栈顶元素
    DataType Top()
    {
        return array[size - 1];
    }

    // 销毁栈
    void Destroy()
    {
        if (array)
        {
            free(array);
            array = nullptr;
        }
    }
};

int main()
{
    Stack s;
    s.Init(10);
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    cout << "Top element: " << s.Top() << endl;
    s.Destroy();
    return 0;
}

上面结构体的定义，在 C++中更喜欢用 class 来代替。

四、类的定义（Defining a Class）

类的定义：class 是定义类的关键字。类是对象的蓝图，包含成员变量（属性）和成员函数（方法）。

类定义语法：

class ClassName
{
    // 成员变量
    // 成员函数
};
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。

两种定义方式：

在类体中定义成员函数：这样的函数可能被编译器视为 inline 内联函数。
类声明与定义分离：通常将类的声明放在 .h 文件中，成员函数的定义放在 .cpp 文件中。注意：成员函数名前需要加类名::

示例 1：类体中定义所有内容：

#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:
    int _year, _month, _day;
};

int main()
{
    Date today;
    today.Init(2024, 9, 22);
    today.Print();
    return 0;
}

示例 2：类声明与定义分离：

// Date.h
class Date
{
public:
    void Init(int year, int month, int day);
    void Print();
private:
    int _year, _month, _day;
};
// Date.cpp
#include <iostream>
#include "Date.h"
using namespace std;

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

void Date::Print()
{
    cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}

int main() {
    Date today;
    today.Init(2024, 9, 22);
    today.Print();
    return 0;
}

五、类的访问限定符及封装（Access Specifiers and Encapsulation）

访问限定符 用于控制类的成员是否能够在类外部访问：

public：类外可以访问。
private：类外部不能直接访问，只能通过类的内部方法操作。
protected：类外部无法访问，但在继承中可以访问。

封装（Encapsulation）：隐藏类的实现细节，仅对外提供公共接口，保证数据的安全性。

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:
    int _year, _month, _day;  // 这些变量无法在类外直接访问
};

int main()
{
    Date today;
    today.Init(2024, 9, 22);
    today.Print();  // 只能通过Print()访问日期信息
    return 0;
}

六、类的作用域（Class Scope）

类的成员定义在类的作用域内，在类外部使用成员函数时，必须用域操作 :: 指定该成员属于哪个作用类。

class Person
{
public:
    void SetName(const char* name);
    void PrintName();

private:
    char _name[20];
};

// 类外定义成员函数
void Person::SetName(const char* name)
{
    strcpy(_name, name);  // 设置名字
}

void Person::PrintName()
{
    cout << "Name: " << _name << endl;  // 打印名字
}

int main()
{
    Person p;
    p.SetName("Alice");
    p.PrintName();
    return 0;
}

七、类的实例化（Instantiation of Classes）

类的 实例化 是指 通过类的定义创建对象，分配实际的内存空间给成员变量。

class Car
{
public:
    void SetBrand(const char* brand)
    {
        strcpy(_brand, brand);
    }

    void Print()
    {
        cout << "Car brand: " << _brand << endl;
    }

private:
    char _brand[20];
};

int main()
{
    Car car1, car2;  // 实例化两个对象
    car1.SetBrand("Toyota");
    car2.SetBrand("Honda");

    car1.Print();
    car2.Print();
    return 0;
}

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。

类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。

谜语：”年纪不大，胡子一把，主人来了，就喊妈妈” 谜底：山羊

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

int main()
{
     Person._age = 100;   // 编译失败：error C2059: 语法错误:“.”
     return 0;
}
Person类是没有空间的，只有Person类实例化出的对象才有具体的年龄。

做个比方。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，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间

八、类对象模型（Class Object Model）

类对象的大小 由成员变量的大小决定，成员函数的代码不会占用对象的存储空间。

空类的大小为 1 字节，确保每个对象都有唯一标识。

class Empty {};

class A
{
private:
    int _x;
    char _y;
};

int main()
{
    cout << "Size of Empty class: " << sizeof(Empty) << endl;
    cout << "Size of A: " << sizeof(A) << endl;  // 由于内存对齐的影响，可能比预期的更大
    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。

结构体内存对齐规则（Struct Memory Alignment Rules）

内容对齐 的规则(【C 语言】结构体内存布局解析——字节对齐_字节对齐规则-CSDN 博客)：

第一个成员从偏移量为 0 的位置开始。
其他成员遵循它们大小的整数倍对齐。
总大小为最大对齐数的整数倍。

#include <iostream>
using namespace std;
 
struct S1 {
    char c;
    int i;
};
 
struct S2 {
    int i;
    char c;
};
 
int main() {
    cout << "Size of S1: " << sizeof(S1) << endl;  // 8字节，内存对齐使得char占4字节
    cout << "Size of S2: " << sizeof(S2) << endl;  // 8字节
    return 0;
}

九、this 指针

在 C++中，this 指针是一个特殊的指针，用于指向调用成员函数的当前对象（当前对象）。它只在类的非静态成员函数下面可用，是传递方式的。是对 this 指针隐式的详细讲解，包括特性、与 C 语言的对比，以及常见的易错点。

1. 引出：什么是 `this` 指针？

当一个对象调用其类的非静态成员函数时，编译器会自动传递该对象的地址给函数。this 指针就是该对象的地址的成员函数。它可以用于在成员函数中调用该函数的对象的地址成员。

class MyClass
{
public:
    int value;
    void setValue(int value)
    {
        this->value = value;  // 使用this指针，避免成员变量与参数重名冲突
    }
};

2. 特性：

隐式传递：this 指针不需要显式声明，它在所有非静态成员函数中隐式可用。

常量性：this 指针是常量指针，无法修改其指向的对象。即 this 类型为 MyClass* const。

class MyClass
{
public:
    void func()
    {
        // this = nullptr; // 错误！无法修改this指针的指向
    }
};

指向当前对象：this 指向调用该成员函数的当前对象。
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MyClass obj;
obj.func(); // this指针指向obj
在常量成员函数中的 this 指针：在常量成员函数中，this 指针是指向常量的指针，其类型为 const MyClass* const，表示不能 this 修改对象的数据成员。
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class MyClass
{
public:
void func() const
{
// this->value = 10; // 错误！无法修改常成员函数中的对象数据
}
};

3. 与 C 的对比：

C 语言本身不支持类和对象的概念，因此也不存在 this 指针。在 C 中，要模拟类似的行为，通常需要显式传递结构体指针来访问结构体的成员。

C++中的this指针对应于在C语言中手动传递对象指针给函数的做法：
// C语言模拟对象方法
struct MyClass
{
    int value;
};
 
void setValue(struct MyClass* self, int value)
{
    self->value = value;
}
在C++中，这种显着式的传递结构指针的方式通过this指针抓取方式和自动化，简化了编程。

4. 常见易错点：

修改 this 指针：this 是常量指针，不能修改其指向对象，错误的代码如下：

class MyClass
{
    public:
    void func()
    {
        // this = nullptr; // 错误！无法修改this指针的指向
    }
};

在静态成员函数中使用 this：静态成员函数属于类本身，而不是某个特定对象，因此，静态成员函数中没有 this 指针。如果尝试在静态成员函数中使用 this，会出现编译错误。
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class MyClass
{
public:
static void staticFunc()
{
// this->value = 10; // 错误，静态成员函数没有this指针
}
};

返回 *this：在链式调用时，经常会返回当前对象的引用，返回 *this 是合法的用法。常见的用法如下：

class MyClass
{
public:
    MyClass& setValue(int value)
    {
        this->value = value;
        return *this;  // 返回当前对象的引用，支持链式调用
    }
};

在构造函数或解析构造函数中使用 this：在构造函数中使用 this 指针是安全的，但需要注意不要在构造函数中将 this 指针导出出去（比如在构造函数中调用虚函数）。在构造函数中，this 指向即将被关注的对象，因此要小心避免对已关注的资源操作。

5. 小结：

this 指针用于指向当前对象，并在非静态成员函数中隐式传递。
它是一个常量指针，不能修改指向的对象。
静态成员函数中没有 this 指针。
this 在 C++中简化了对象成员的访问，而在 C 语言中，需要手动传递结构体指针。

掌握 this 指针有助于理解对象成员的访问方式和 C++类的工作原理。

总结

本文介绍了对象编程中的类、对象、封装、作用域、实例化、对象模型、内存定位和 this 指针的详细内容和代码示例。你可以通过编写这些代码加深理解，并尝试修改运行和它们来更好地掌握这些概念。