C++|【C++】类和对象（一）类和对象|后端|this指针|c++

文章目录

- - 一、初步认识面向过程和面向对象
  - 二、类的引入
  - - C 和 C++ 中「 struct 」的区别
  - 三、类的定义
  - 四、类的访问限定符及封装
  - - 4.1 类的访问限定符
    - 4.2 类的封装
  - 五、类的作用域
  - 六、类的实例化
  - - 6.1 类成员的声明与定义（要搞清楚）
  - 七、类对象模型
  - - 7.1 类对象的存储方式
    - 7.2 计算类对象的大小
    - 7.3 结构体内存对齐规则
  - 八、this 指针
  - - 8.1 this 的引出
    - 8.2 this 指针的特性

一、初步认识面向过程和面向对象
面向对象：OO, Object - Oriented
面向过程：PO, Procedure - Oriented
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。
注意：C++不是纯面向对象语言，C++既有面向过程（因为兼容C语言），也有面向对象，可以混合编程。
比如：

炒一盘菜：
面向过程关注的是过程，即炒菜的每个步骤（切菜、开火、放油、加佐料，炒…）。
面向对象关注的是对象，则会创建一个厨师类，然后在类中添加炒菜的方法，然后实例化厨师对象，调用炒菜方法。

二、类的引入
C 和 C++ 中「 struct 」的区别区别一：

/**************************************************************/ // c struct ListNode { int val; struct ListNode* next; // c语言中必须要写struct }; typedef struct ListNode // typedef { int val; struct ListNode* next; // 即使用了typedef，如果在结构体内，也必须要写struct }; // 解析： // C语言中struct是结构体 // 而 struct ListNode 这个整体是结构体名，必须要写全，不能省略struct // typedef struct ListNode 在结构体结束的位置才会生效，所以在结构体内必须写全/**************************************************************/ // cpp struct ListNode { int val; ListNode* next; // cpp中可以不写struct }; // 解析： // C++中struct不仅仅是结构体，struct已经升级成类了 // 而 ListNode 就是类名，ListNode* next 中的 ListNode 就是类名 // 所以我们可以不用写struct，当然也可以写上，因为cpp兼容c

【C++|【C++】类和对象（一）】区别二：

C语言中：数据和方法分离，结构体内只能定义变量。
C++中：数据和方法是封装在一起的，结构体内既可以定义变量，也可以定义函数。

/**************************************************************/ // c struct Student { char _name[10]; // 数据 int _age; }; // 方法（必须传结构体指针） void SetStudentInfo(struct Student* ps, const char* name, int age) { strcpy(ps->_name, name); ps->_age = age; }int main() { Student s; s.SetStudentInfo(&s, "winter", 20); }/**************************************************************/ // cpp struct Student { // 方法 void SetInfo(const char* name, int age) // 思考：为什么cpp中不用传结构体指针了呢？ { strcpy(_name, name); _age = age; } char _name[10]; // 数据 int _age; }; int main() { Student s; s.SetInfo("winter", 20); }

上面结构体的定义，在 C++ 中更喜欢用 class 来代替。
三、类的定义
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。

class className { // ... };

类中的元素称为类的成员：

类中的数据，称为类的属性或成员变量；

类中的函数，称为类的方法或成员函数。

类的两种定义方式：

声明和定义全部放在类体中，需要注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将其当成内联函数处理。

文章图片

声明放在 .h 文件中，定义放在 .cpp 文件中。

文章图片

总结：
一般情况下，短的成员函数，声明和定义都放在类体中；长的函数，声明和定义分离，这样也能够更清楚的看到类的结构。
四、类的访问限定符及封装
4.1 类的访问限定符访问限定符分为三种：

public（公有）

protected（保护）

private（私有）

访问限定符说明：

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
（注：此处 protected 和 private 是类似的，继承时才能够更好的体现它们的区别）

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

C++中的 class 的默认访问权限为 private，struct 的默认访问权限为 public（因为 struct 要兼容C）

class A // 默认访问权限是private { // ... }; struct A// 默认访问权限是public { // ... };

所以：类中的成员，我想让你在类外面访问的，设置成公有；我不想让你在类外面访问，设置成私有。

注意：

访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没有任何访问限定符上的区别

【面试题】C++中 struct 和 class 的区别是什么？

解答：C++需要兼容C语言，所以 C++ 中 struct 可以当成结构体去使用。另外 C++ 中 struct 还可以用来定义类。和 class 是定义类是一样的，唯一的区别是： struct 的成员默认访问权限是 public，class 是的成员默认访问权限是 private。

4.2 类的封装【面试题】面向对象的三大特性：封装、继承、多态。
在类和对象阶段，我们只研究类的封装特性，那什么是封装呢？
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。
C++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，有选择性的将其接口提供给外部的用户使用。

类的定义和设计就体现了封装的思想：

C语言中，没有封装，数据和方法分离，比较自由，任何人都可以随便访问数据和方法。

C++中，有封装，数据和方法都放到类里面，同时想给你访问的，定义成公有；不想给你访问的，定义成私有。

封装本质上是一种管理：

我们如何管理兵马俑呢？C语言相当于什么都不管，不设防护栏，万一访问的人素质差，兵马俑就被随意破坏了。而 C++ 就相当于建了一座房子把兵马俑给封装起来。但不是封的死死的，不让别人看。可以参观的部分，设置售票通道，可以买票突破封装，并在合理的监管机制下进去参观。
类也是一样，我们把类中的数据和方法都封装到一下，不想给别人看到的，我们使用 protected / private 把成员封装起来。开放一些公有的成员函数对成员合理的访问。所以封装本质是一种管理。
封装能够更好的规范代码。小伙子不要不讲码德呀！

五、类的作用域
花括号 {} 括起来的都是一个域。
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。
如果在类体外定义成员，需要使用 :: 作用域解析符指明成员属于哪个类域。

class Person { public: void PrintInfo(); private: char _name[20]; int _age; }; // 这里需要指定PrintInfo是属于Person这个类域 void Person::PrintInfo() { cout << _name << " " << _age << endl; }

六、类的实例化
用类类型创建对象的过程，称为类的实例化：

类只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。

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。

举个例子：现实中使用建筑设计图建造出房子，类就像是设计图，并没有实体的建筑存在。根据图纸建造出的房子，才能住人。同样，类也只是一个设计图，实例化出的对象才能实际存储数据，占用物理空间。

?
文章图片

6.1 类成员的声明与定义（要搞清楚）注意：

成员变量的定义是指：给变量分配了空间，跟是否初始化没有关系。

成员变量是存在对象中的，对象实例化时，才是它们定义的地方。

class Person { public: void PrintInfo(); // 对于成员函数，这是声明private: char _name[20]; // 对于成员变量，这是声明（告诉你变量的类型、名称，但是没有开空间） int _age; }; void Person::PrintInfo() // 对于成员函数，这是定义（实现） { cout << _name << " " << _age << endl; }

七、类对象模型
7.1 类对象的存储方式每个对象中成员变量是不同的，但是调用同一份函数，如果把成员变量和成员函数都存储在对象中，当一个类创建多个对象时，每个对象中都会多一份代码，相同代码保存多次，浪费空间。那么如何解决呢？
只保存成员变量，成员函数存放在公共的代码段。

文章图片

总结：

实例化了一个对象后，系统会为该对象的数据成员分配存储空间，以存放该对象的各个数据成员（注意：分配的存储空间不包括成员函数的空间）

同一个类的不同对象其数据成员的值是不同的，而成员函数代码是相同的，所以存放对象时只需要存储自己的数据成员，而同一个类的各个对象的成员函数可以共用一份（单独存放在对象之外的另一段存储空间中）

7.2 计算类对象的大小 ① 计算一个类对象的大小
类对象大小：类对象中只存储了成员变量，所以只计算成员变量的大小（需要进行内存对齐）
示例：

class A { public: void func1() { cout << "func1" << endl; } void func2() { cout << "func2" << endl; } void func3() { cout << "func3" << endl; }private: int _a; int _b; }; int main() { A a; cout << sizeof(a) << endl; // 输出：8 return 0; }

② 计算一个类的大小
注意：算一个类型的大小，本质是算这个类型定义出的一个对象的大小，因为类型本身是不占空间的。
总结：

一个类的大小，实际就是该类中 ” 成员变量 ” 之和（需要进行内存对齐）

注意空类的大小，空类比较特殊，编译器给了空类 1 个字节来唯一标识这个类。

如果一个类没有成员变量，是一个空类，那么它的对象需要给 1 字节进行占位，表示其对象存在，这 1 字节不存储有效数据。

那么空类有意义吗？ – 有的，比如后面要学习的仿函数。

示例：

// 类中既有成员变量，又有成员函数 class A { public: void func() {}private: int _a; }; // 类中仅有成员函数 class B { public: void func() {} }; // 空类 class C {}; int main() { cout << sizeof(A) << endl; // 输出：4 cout << sizeof(B) << endl; // 输出：1 cout << sizeof(C) << endl; // 输出：1 return 0; }

7.3 结构体内存对齐规则结构体的对齐规则：

第一个成员变量在与结构体变量偏移量为 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。

对齐数 =「编译器默认的一个对齐数」与「该成员大小」中的较小值。

VS中默认对齐数为「8」，Linux中没有对齐数。

结构体总大小为：最大对齐数（「所有成员变量中对齐数的最大者」与「默认对齐数」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。

面试题：

结构体怎么对齐？为什么要进行内存对齐？
大部分的参考资料是这样说的：

平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。（那我们就要将数据对齐到能够访问的这些地址处）

性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐？

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
8.1 this 的引出拿日期类举例：

class Date { public: void Display() { cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl; } void SetDate(int year, int month, int day) { _year = year; _month = month; _day = day; }private: int _year; // 年 int _month; // 月 int _day; // 日 }; int main() { Date d1; // 实例化对象d1 Date d2; // 实例化对象d2 d1.SetDate(2021, 10, 8); d2.SetDate(2022, 10, 8); d1.Display(); d2.Display(); return 0; }

对于上述类，思考这样的一个问题：

Date 类中有 SetDate 与 Display 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 SetDate 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？

成员函数怎么辨别当前调用自己的是哪个对象呢？—— 隐含的 this 常量指针（它指向了调用自己的对象）

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 “ 增加了一个隐含的「常量指针」参数，让该指针指向调用本函数的对象，在函数体中对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。

文章图片

现在再来看刚才写的日期类：
成员函数隐含的 this 指针指向哪个对象，在成员函数中就可以通过 this 指针来访问哪个对象中的数据。

class Date { public: // 编译器会解释为：void Display(Date* const this) void Display() { cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl; } // 编译器会解释为：void SetDate(Date* const this, int year, int month, int day) void SetDate(int year, int month, int day) { this->_year = year; this->_month = month; this->_day = day; // 成员函数内，可以显示的在成员前加上 this-> // 我们不加的话，默认也会在成员前加上 this->this->Display(); // 成员函数中还可以调成员函数，因为有 this 指针 }private: int _year; // 年 int _month; // 月 int _day; // 日 }; int main() { Date d1; Date d2; d1.SetDate(2021, 10, 8); // 编译器会解释为：d1.SetDate(&d1, 2021, 10, 8); d2.SetDate(2022, 10, 8); // 编译器会解释为：d2.SetDate(&d2, 2022, 10, 8); d1.Display(); // 编译器会解释为：d1.Display(&d1); d2.Display(); // 编译器会解释为：d2.Display(&d2); return 0; }

最后再回想一下 C 语言中，方法是怎么辨别当前调用自己的是哪个对象呢，其实原理和C++是一样的。
看完下面这段 C 语言代码，你就能够更好的理解 this 指针了。
在C语言中，数据和方法分离，方法必须要传结构体指针，指向调用该方法的结构体对象，这样才能在方法中访问这个对象中的数据。

// c struct Student { char _name[10]; // 数据 int _age; }; // 思考：为什么这里必须传结构体指针呢？ void SetStudentInfo(struct Student* ps, const char* name, int age) { strcpy(ps->_name, name); // p类比cpp的this-> ps->_age = age; }int main() { Student s; s.SetStudentInfo(&s, "winter", 20); }

8.2 this 指针的特性

this 指针的类型：类类型* const this，是一个常量指针，所以 this 指针的指向是不能更改的。
只能在 “ 非静态的成员函数 ” 的内部使用，静态成员函数是没有 this 指针的。
this 指针本质上其实是一个成员函数的形参，是对象调用成员函数时，将对象地址作为实参传递给 this 形参。所以对象中不存储 this 指针。
this 指针是成员函数第一个隐含的指针形参（VS中一般由编译器通过 ecx 寄存器自动传递），不需要用户传递。

【面试题】
① this 指针是存在哪里的？（栈 / 堆 / 静态区 / 常量区）
常犯的错误：this 指针是存在对象里面的。
this 指针是形参，形参和函数中的局部变量都是存在函数栈帧里面的，所以 this 指针可以认为是存在栈中的。
注：VS下为了提高效率，this 指针是通过寄存器 ecx 传递的，如图：

文章图片

拓展：去 Linux 中验证 gcc 下，this 指针是存在哪里的？
② this 指针可以为空吗？
请看下面这两道题：

下面程序的运行结果是什么？ A. 编不译通过；B. 运行崩溃；C. 正常运行

class A { public: void Show() { cout << "Show()" << endl; }private: int _a; }; int main() { A* p = nullptr; p->Show(); }

答案解析：正常运行
成员函数的地址不存在对象中，存在公共代码段，那么这里调用成员函数，会去 call 函数的地址，不会去访问 p 指向的空间，也就不存在空指针解引用了。这里是把 p 传递给 Show 函数隐含的 this 指针形参，而 Show 函数中也没有对 this 指针解引用，所以正常运行。
补充：

A a; A* p = &a; // p指向对象ap->_a; // 这里是在p指向的空间上（即对象a的空间）访问（对象a的）成员_a，是一个解引用行为 p->Show(); // 这里只是把p（对象a的地址）传递给Show函数隐含的this指针形参，没有解引用

下面程序的运行结果是什么？ A. 编不译通过；B. 运行崩溃；C. 正常运行

class A { public: void PrintA() { cout << _a << endl; }private: int _a; }; int main() { A* p = nullptr; p->PrintA(); }

答案解析：运行崩溃
因为函数中的 this->_a，要访问对象的成员变量 _a，需要对 this 指针解引用，才能访问到对象中的数据，而传入的对象地址是 nullptr，所以 this 指针也是 nullptr，所以崩溃了。