类与对象（一）

1.面向过程和面向对象初步认识

2. 类的引入

3. 类的定义

4. 类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

4.2 封装

5. 类的作用域

6. 类的实例化

7. 类对象模型

7.1 类对象的存储方式

7.2 结构体内存对齐规则

7.3 特殊情况：空类的大小

8. this 指针

8.1 this 指针的引出

8.2 this 指针的特性

9. C 语言和 C++ 实现栈(Stack) 的对比

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1.面向过程和面向对象初步认识

面向过程（C 语言）：关注解决问题的过程，分析求解步骤，通过函数调用逐步解决问题。
面向对象（C++）：基于面向对象编程，关注对象，将事情拆分成不同对象，依靠对象间的交互完成任务。

2. 类的引入

C 语言结构体：只能定义变量。
C++ 结构体：不仅能定义变量，还能定义函数。

示例：

#include <iostream>  
#include <cstdlib>   // 用于使用 malloc、free 和 perror 函数
#include <cassert>   typedef int DataType;// 定义栈结构体
struct Stack 
{void Init(size_t capacity) {_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (nullptr == _array) {perror("malloc申请空间失败");return;}_capacity = capacity;_size = 0;}// 接受一个常量引用参数，避免不必要的拷贝void Push(const DataType& data) {if (_size == _capacity) {size_t newCapacity = _capacity * 2;DataType* newArray = (DataType*)realloc(_array, sizeof(DataType) * newCapacity);if (newArray == nullptr) {perror("realloc申请空间失败");return;}_array = newArray;_capacity = newCapacity;}// 将元素存入栈中_array[_size] = data;++_size;}DataType Top() {// 确保栈不为空assert(_size > 0);// 返回栈顶元素return _array[_size - 1];}void Destroy() {if (_array) {free(_array);_array = nullptr;_capacity = 0;_size = 0;}}// 栈数组指针，用于存储栈中的元素DataType* _array;// 栈最多能存储的元素数量size_t _capacity;// 栈当前实际存储的元素数量size_t _size;
};int main() 
{// 创建一个栈对象Stack s;// 初始化栈，指定初始容量为 10s.Init(10);s.Push(1);s.Push(2);s.Push(3);std::cout << s.Top() << std::endl;s.Destroy();return 0;
}

C++ 中，更常用 class 代替 struct 来定义类。

思考：为什么是 ++_size; 而非 _size++; ？

性能方面：现代编译器中两者在性能上差异微乎其微，但理论上前置自增性能更优。后置自增需要额外内存空间保存原值，并且操作结束后还要进行一次赋值；前置自增直接对变量进行自增并返回结果，没有这些额外开销。

代码语义方面：前置自增更直观地表达“先进行自增，再更新栈元素数量”的操作顺序。

3. 类的定义

定义格式：class 是定义类的关键字，ClassName 是类名，类定义结束后分号不能省略。

class className 
{// 类体：由成员函数和成员变量组成};  // 一定不要忘记分号int main()
{classname 对象名;对象名.成员函数名();
}

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成员函数。
两种定义方式：
- （1）声明和定义全放类体中：成员函数在类中定义，编译器可能将其当作内联函数处理。
- （2）类声明放 .h 文件，成员函数定义放 .cpp 文件：成员函数名前需加类名 :: 。一般推荐这种方式。
成员变量命名规则建议：为避免成员变量和函数形参混淆，建议给成员变量加前缀或后缀，如 _year 或 mYear。

4. 类的访问限定符及封装

4.1 访问限定符

访问限定符	类外访问性	作用域	默认访问权限
public（公有）	可直接访问	从出现位置开始，到下一个访问限定符出现为止；若无下一个访问限定符，则到类结束	`struct` 定义的类默认访问权限是 `public`
protected（保护）	不能直接访问	从出现位置开始，到下一个访问限定符出现为止；若无下一个访问限定符，则到类结束
private（私有）	不能直接访问	从出现位置开始，到下一个访问限定符出现为止；若无下一个访问限定符，则到类结束	`class` 定义的类默认访问权限是 `private`

注意：访问限定符主要是在编译阶段发挥作用，用于保证代码的安全性和规范性，而在内存中，对象的成员变量并没有访问限定符的区分。

【面试题】C++ 中 struct 和 class 的区别？

C++需要兼容C语言，所以C++ 中 struct 可当作结构体使用。C++ 中 struct 也可定义类，与 class 定义类类似，区别在于 struct 定义的类默认访问权限是 public，class 定义的类默认访问权限是 private。在继承和模板参数列表位置也有区别。

4.2 封装

面向对象三大特性：封装、继承、多态。类和对象阶段主要研究封装特性。
封装定义：将数据和操作数据的方法有机结合，隐藏对象属性和实现细节，仅对外公开接口与对象交互。
C++ 实现封装：通过类将数据和操作方法结合，利用访问权限隐藏内部实现细节，控制类外可直接使用的方法。

5. 类的作用域

类定义了新的作用域，类的所有成员都在类的作用域中。在类体外定义成员时，需用 :: 作用域操作符指明成员所属类域。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Person 
{
public:// 声明成员函数void PrintPersonInfo();void SetName(const char* name);void SetGender(const char* gender);void SetAge(int age);
private:char _name[20];char _gender[3];int  _age;
};void Person::PrintPersonInfo() 
{cout << _name << " " << _gender << " " << _age << endl;
}void Person::SetName(const char* name) 
{// 将传入的姓名拷贝到成员变量_name中strncpy(_name, name, sizeof(_name) - 1);// 确保字符串以'\0'结尾_name[sizeof(_name) - 1] = '\0';
}void Person::SetGender(const char* gender) 
{strncpy(_gender, gender, sizeof(_gender) - 1);_gender[sizeof(_gender) - 1] = '\0';
}void Person::SetAge(int age) 
{_age = age;
}int main() 
{Person p;p.SetName("Alice");p.SetGender("女");p.SetAge(25);p.PrintPersonInfo();return 0;
}

6. 类的实例化

定义：用类创建对象的过程称为类的实例化。
特点：
- 类是对对象的描述，是模型，定义类时未分配实际内存空间。例如学生信息表可看成类，描述具体学生信息。
- 一个类可实例化多个对象，实例化的对象占用实际物理空间，存储类成员变量。

7. 类对象模型

7.1 类对象的存储方式

在C++中，类对象的存储方式遵循以下规则：

类对象包含成员变量，但不包含成员函数。成员函数不属于某个具体的对象，而存放在公共的代码段，所有该类的对象共享同一份成员函数代码。

综上所述，类对象的大小本质上是其成员变量所占内存空间之和。但需要考虑内存对齐规则。

7.2 结构体内存对齐规则

第一个成员的起始位置：第一个成员变量存放在与结构体偏移量为0的地址处。
其他成员的对齐位置：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。对齐数等于编译器默认的对齐数和该成员大小的较小值。在Visual Studio中，默认的对齐数为8。
结构体的总大小：结构体总大小必须是最大对齐数（所有成员变量类型的最大者与默认对齐参数取最小）的整数倍。
嵌套结构体的情况：如果嵌套了结构体，嵌套的结构体要对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小是所有最大对齐数（包含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

7.3 特殊情况：空类的大小

空类：没有任何成员变量和成员函数的类，或者只有成员函数而没有成员变量的类。

编译器会给空类分配1字节的空间，目的是为了让空类的对象能够拥有唯一的地址。

8. this 指针

8.1 this 指针的引出

C++ 中，当一个类有多个对象时，每个对象都有自己独立的成员变量。但是类的成员函数是所有对象共享的。

这就产生一个问题：当一个成员函数被调用时，如何知道是哪个对象在调用它呢？

#include <iostream>
using namespace std;class Date 
{
public:void Init(int year, int month, int day) {_year = year;_month = month;_day = day;}void Print() {std::cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << std::endl;}private:int _year;int _month;int _day;
};int main() 
{Date d1, d2;d1.Init(2022, 1, 11);d2.Init(2022, 1, 12);d1.Print();d2.Print();return 0;
}

以上述代码为例，d1.Init(2022, 1, 11)和d2.Init(2022, 1, 12)被调用时，Init函数将无法确定将这些值赋给d1的成员变量还是d2的成员变量。

为了解决以上问题，使用 this 指针。

C++中，每个非静态的成员函数都有一个隐藏的指针参数，这个指针就是 this 指针。它的主要作用是指向当前正在调用该成员函数的对象（不可为空）。

8.2 this 指针的特性

this指针的类型是 类类型 * const ，这意味着 this 指针是一个指向常量的指针，不能在成员函数中给this指针赋值。例如，对于一个Student类，this指针的类型就是 Student * const 。
this 指针只能在类的成员函数内部使用，不能在类的外部单独使用。
this 指针是成员函数的第一个隐含的指针形参，不需在调用成员函数时显式传递。当对象调用成员函数时，编译器会自动将对象的地址作为实参传递给 this 指针。例如调用s1.display()时，编译器会自动将其转换为Student::display(&s1)。
this 指针不存储于对象本身中。在函数调用期间，this 指针的值保存在函数的栈帧中。函数执行完毕后，this 指针的值就会被销毁。

9. C 语言和 C++ 实现栈(Stack) 的对比

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>typedef int DataType;typedef struct Stack 
{DataType* array;  // 用于存储栈中元素的数组指针int capacity;    int size;      // 栈中当前元素的数量   
} Stack;// 初始化栈
void StackInit(Stack* ps) 
{assert(ps); // 为栈的数组分配初始容量为3的空间ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);if (NULL == ps->array) {assert(0); return;}ps->capacity = 3;  ps->size = 0;      
}void StackDestroy(Stack* ps) 
{assert(ps);  if (ps->array) {free(ps->array);  // 释放栈数组所占用的内存ps->array = NULL;ps->capacity = 0;ps->size = 0;}
}// 检查并扩容
void CheckCapacity(Stack* ps) 
{if (ps->size == ps->capacity) {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;  }
}// 入栈
void StackPush(Stack* ps, DataType data) 
{assert(ps);  CheckCapacity(ps);  ps->array[ps->size] = data;  // 将元素存入栈数组ps->size++;  
}int StackEmpty(Stack* ps) 
{assert(ps);  return 0 == ps->size;  // 如果栈中元素数量为0，返回1表示空，否则返回0
}// 出栈
void StackPop(Stack* ps) 
{if (StackEmpty(ps))  return;ps->size--;  
}// 获取栈顶元素
DataType StackTop(Stack* ps) 
{assert(!StackEmpty(ps));  return ps->array[ps->size - 1];  
}// 获取栈中元素的数量
int StackSize(Stack* ps) 
{assert(ps);  return ps->size;  
}int main() 
{Stack s;StackInit(&s);  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;
}

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
using namespace std;typedef int DataType;class Stack 
{
public:// 初始化栈void Init() {_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);if (NULL == _array) {perror("malloc申请空间失败!!!");  return;}_capacity = 3;  _size = 0;      }// 入栈void Push(DataType data) {CheckCapacity();  // 检查并扩容_array[_size] = data;  // 将元素存入栈数组_size++;  }// 出栈void Pop() {if (Empty())  return;_size--;  }// 获取栈顶元素DataType Top() { return _array[_size - 1]; }// 判断栈是否为空int Empty() { return 0 == _size; }// 获取栈中元素的数量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:DataType* _array;  int _capacity;     int _size;        
};int main() 
{Stack s;s.Init();  s.Push(1);  s.Push(2);  s.Push(3);  s.Push(4);  cout << s.Top() << endl;  cout << s.Size() << endl;  s.Pop();  s.Pop();  cout << s.Top() << endl;  cout << s.Size() << endl;  s.Destroy(); return 0;
}

比较维度	C 语言实现	C++ 实现
数据与操作的组织方式	结构体中只能定义存放数据的结构，数据和操作数据方式分离	通过类将数据与操作数据方式完美结合
函数参数	每个函数的第一个参数都是 Stack*	不需显式传递 Stack * 参数，编译器自动维护
空指针检测	函数中必须要对第一个参数（Stack*）检测是否为 NULL	无需手动对类似指针参数进行空指针检测，编译器自动维护
调用方式	调用时必须传递 Stack 结构体变量的地址	使用时如同使用自身成员
访问控制		通过访问权限（public、protected、private）控制哪些方法在类外可被调用，实现封装
实现复杂度	涉及大量指针操作，容易出错，实现相对复杂	代码结构更清晰，一定程度上降低了因指针操作不当导致的错误风险