【C++】类与对象 I(下)

简介: 【C++】类与对象 I(上)

(三)C++中 struct和class的区别 是什么?【面试题】

  1. C++需要兼容C语言,所以C++中struct可以当成结构体使用。
  2. 另外C++中struct还可以用来定义类。和class定义类是一样的 [ 区别:struct 定义的类 默认访问权限public(C++兼容C)class 定义的类 默认访问权限private。】

    【注意:在继承模板参数列表位置,struct和class也有区别,后序给大家介绍。】



四、封装

面向对象三大特性封装、继承、多态。【面试题】

封装:将 数据和操作数据的方法 进行 有机结合,隐藏对象的属性和实现细节, 仅对外公开接口来和对象进行交互。


(一)谈封装( 对于 封装 的理解 )

封装本质上是一种管理,让用户更方便使用类。 比如:对于电脑这样一个复杂的设备,提供给用户的就只有开关机键、通过键盘输入,显示器,USB插孔等,让用户和计算机进行交互,完成日常事务。但实际上电脑真正工作的却是CPU、显卡、内存等一些硬件元件。

对于计算机使用者而言,不需要关心内部核心部件,比如主板上线路是如何布局的,CPU内部是如何设计的等,用户只需要知道,怎么开机、怎么通过键盘和鼠标与计算机进行交互即可。因此计算机厂商在出厂时,在外部套上壳子,将内部实现细节隐藏起来,仅仅对外提供开关机、鼠标以及键盘插孔等,让用户可以与计算机进行交互即可。

在C++语言中实现封装,可以通过类将数据以及操作数据的方法进行有机结合,通过访问权限来隐藏对象内部实现细节,控制哪些方法可以在类外部直接被使用。



五、类的作用域

类定义了一个新的作用域。【 { } 中定义的都是 域

  1. 类的所有成员 都在 类的作用域中
  2. 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
class Person
{
public:
 void PrintPersonInfo();     //声明和定义分离
private:
 char _name[20];
 char _gender[3];
 int  _age;
};
//定义:这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
 cout << _name << " "<< _gender << " " << _age << endl;
}



六、类的实例化

(一)对类更深入的理解:

用类类型创建对象的过程,称为类的实例化 。

  1. 类 是对 对象 进行的 描述,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 ,但 并没有分配实际的内存空间来存储它;
  2. 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



(二)例子理解 类:

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。



七、类对象模型

(一)如何计算类对象的大小

class A
{
public:
void PrintA()
{
   cout<<_a<<endl;
}
private:
char _a;
};

问题:类中既可以有成员变量,又可以有成员函数,那么一个类的对象中包含了什么?如何计算一个类的大小?



(二)类对象的存储方式猜测

  • 对象中包含类的各个成员

    缺陷:每个对象中成员变量是不同的,但是调用同一份函数
    如果按照此种方式存储,当一个类创建多个对象时,每个对象中都会保存一份代码,相同代码保存多次,浪费空间。 那么如何解决呢?


  • 代码只保存一份,在对象中保存存放代码的地址

  • 只保存成员变量,成员函数存放公共的代码段

问题:对于上述三种存储方式,那计算机到底是按照那种方式来存储的?

// 类中既有成员变量,又有成员函数
class A1 {
public:
    void f1(){}
private:
    int _a;
};
// 类中仅有成员函数
class A2 {
public:
   void f2() {}
};
// 类中什么都没有---空类     //没有成员 => 不需要存储数据
class A3
{};

sizeof(A1) : ______ sizeof(A2) : ______ sizeof(A3) : ______

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( 这个字节不存储有效数据 ) 一个字节 来 唯一标识这个类的对象。



(三)结构体内存对齐规则

  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。
    注意:对齐数 = 编译器默认的一个对齐数该成员大小较小值
    【VS中默认的对齐数为8】
  3. 结构体总大小最大对齐数( 所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小 )的 整数倍。
  4. 如果嵌套结构体的情况,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


【面试题】

  1. 结构体怎么对齐? 为什么要进行内存对齐?
  2. 如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐?能否按照3、4、5即任意字节对齐?
  3. 什么是大小端?如何测试某台机器是大端还是小端,有没有遇到过要考虑大小端的场景



八、this指针

(一)this指针的引出

我们先来定义一个日期类 Date

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;     // 年
 int _month;    // 月
 int _day;      // 日
};
int main()
{
 Date d1, d2;
 d1.Init(2022,1,11);
 d2.Init(2022, 1, 12);
 d1.Print();
 d2.Print();
 return 0;
}

对于上述类,有这样的一个问题:

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 函数时,该函数是如何知道应该设置d1对象,而不是设置d2对象呢?


C++中通过引入this指针解决该问题,即:C++编译器给每个“非静态的成员函数“增加了一个 隐藏的指针参数 。

让该指针指向当前对象( 函数运行时调用该函数的对象 ),在函数体中所有“成员变量”的操作,都是通过该指针去访问。

只不过所有的操作对用户是透明的,即用户不需要来传递,编译器自动完成 。



(二)this指针的特性

  1. this指针的类型:类类型 * const ,即成员函数中,不能给this指针赋值。
  2. 只能在“成员函数”的内部使用
  3. this指针本质上是“成员函数”的形参 ,当对象调用成员函数时,将对象地址作为实参传递给this形参 【 和局部变量一样,存在栈帧上 】。所以 对象中不存储this指针。
  4. this指针是 “成员函数” 第一个 隐含的指针形参,一般情况由 编译器 通过 ecx寄存器 自动传递,不需要用户传递


  1. CPU 访问内存 —> 嫌 访问内存太慢了
  2. 经常访问的 或 小变量 => 存寄存器( 非常快 )



【 只是逻辑上是这样,显式写出传递的类对象的地址,显式写出接收的 * this 指针 。实际中并不会显式写出,也不能像这样显式写出。 】


  • 不能显示的写 this相关 的 实参 和 形参
  • 但是可以在类里面显示的使用。(有些时候,是需要用this指针的)

【面试题】

  1. this指针存在哪里?
  2. this指针可以为空吗?



C语言 和 C++ 实现Stack的对比

  1. C语言实现
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
 DataType* array;
 int capacity;
 int size;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
 if (NULL == ps->array)
 {
 assert(0);
 return;
 }
ps->capacity = 3;
 ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)   // C 每次调用函数都要传地址过来
{
 assert(ps);
 if (ps->array)
 {
 free(ps->array);
 ps->array = NULL;
 ps->capacity = 0;
 ps->size = 0;
 }
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
 if (ps->size == ps->capacity)                  //还要用指针去访问
 {
 int newcapacity = ps->capacity * 2;
 DataType* temp = (DataType*)realloc(ps->array,
newcapacity*sizeof(DataType));
 if (temp == NULL)
 {
 perror("realloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 ps->array = temp;
 ps->capacity = newcapacity;
 }
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
 assert(ps);
 CheckCapacity(ps);
 ps->array[ps->size] = data;
 ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 return 0 == ps->size;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
 if (StackEmpty(ps))
 return;
 ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
 assert(!StackEmpty(ps));
 return ps->array[ps->size - 1];
}
int StackSize(Stack* ps)
{
 assert(ps);
 return ps->size;
}
int main()
{
 Stack s;
 StackInit(&s);           //每次都要 传指针
 StackPush(&s, 1);
 StackPush(&s, 2);
 StackPush(&s, 3);
 StackPush(&s, 4);
 printf("%d\n", StackTop(&s));
 printf("%d\n", StackSize(&s));
 StackPop(&s);
 StackPop(&s);
 printf("%d\n", StackTop(&s));
 printf("%d\n", StackSize(&s));
 StackDestroy(&s);
 return 0;
}

在用 C语言实现时,Stack相关操作函数有以下共性:

  • 每个函数的 第一个参数都是Stack*
  • 函数中必须要对第一个参数检测,因为该参数可能会为NULL
  • 函数中都是 通过Stack*参数操作栈
  • 调用时必须传递Stack结构体变量的地址

结构体中只能定义 存放数据 的结构操作数据的方法 不能放在结构体中即 数据和操作数据的方式是分离开的 ,而且实现上相当复杂一点,涉及到大量指针操作,稍不注意可能就会出错。


  1. C++实现
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
 void Init()
 {
 _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
 if (NULL == _array)
 {
 perror("malloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 _capacity = 3;
 _size = 0;
 }
 void Push(DataType data)
 {
 CheckCapacity();
 _array[_size] = data;
 _size++;
 }
 void Pop()
 {
 if (Empty())
 return;
 _size--;
 }
 DataType Top(){ return _array[_size - 1];}
 int Empty() { return 0 == _size;}
 int Size(){ return _size;}
 void Destroy()
 {
 if (_array)
 {
 free(_array);
 _array = NULL;
 _capacity = 0;
 _size = 0;
 }
 }
private:
 void CheckCapacity()
 {
 if (_size == _capacity)
 {
 int newcapacity = _capacity * 2;
 DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity *
sizeof(DataType));
 if (temp == NULL)
 {
 perror("realloc申请空间失败!!!");
 return;
 }
 _array = temp;
 _capacity = newcapacity;
 }
 }
private:                  //成员变量
 DataType* _array;
 int _capacity;
 int _size;
};
int main()
{
 Stack s;
 s.Init();                //C++不用传指针,直接在类里 可以直接用
 s.Push(1);               //把工作都交给编译器
 s.Push(2);
 s.Push(3);
 s.Push(4);
 printf("%d\n", s.Top());
 printf("%d\n", s.Size());
 s.Pop();
 s.Pop();
 printf("%d\n", s.Top());
 printf("%d\n", s.Size());
 s.Destroy();
 return 0;
}
  • 访问限定符【 成员变量 一般是 私有的 】 => 使函数调用更规范

C++中通过 类可以将 数据 以及 操作数据的方法 进行完美结合,通过 访问权限 可以控制那些方法 在类外可以被调用,即 封装在使用时就像使用自己的成员一样 ,更符合人类对一件事物的认知。

而且每个方法不需要传递Stack*的参数了【 不需要传指针了 】,编译器编译之后该参数会自动还原,即C++中 Stack * 参数 是 编译器维护 的( 传参都由编译器来传 ),C语言中需用用户自己维护

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