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【C++】类与对象（上）

news 2025/8/30 6:13:02

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类与对象（上）

✨前言：C++作为一门面向对象的编程语言，类 是其核心概念之一。它就像建筑师的设计蓝图，定义了对象的属性和行为。本文将带你深入理解C++中类的定义、实例化过程、对象内存模型以及神秘的this指针，为你打开面向对象编程的大门。

📖专栏：【C++成长之旅】

目录

  • 类与对象（上）
    • 一、类的定义
      • 1.1 类定义格式
      • 1.2 访问限定符
      • 1.3 类域
    • 二、实例化
      • 2.1 实例化概念
      • 2.2 对象大小
    • 三、this指针
    • 四、C++和C语言实现Stack对比
    • 五、总结

一、类的定义

1.1 类定义格式

先来看下面的我们定义的类：

#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;//创建类的对象st.Init();st.Push(1);st.Push(2);cout << st.Top() << endl;st.Destroy();return 0;
}

解释：

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。

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。
我们再来定义一个Date类：

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_yearint _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;
}

定义在类里面的成员函数默认为inline。

1.2 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我们现在可以看做是⼀样的，学了继承后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。
    在这里插入图片描述

1.3 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。
  • 类域影响的是编译的查找规则，下面程序中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arr等成员，就会到类域中去查找。
  • 对于类中的函数，声明和定义可以分离，但需要指定类域 。如下：
#include<iostream>
using namespace std;class Stack
{
public:void Init(int n = 4);
private:int* _arr;int _capacity;int _size;
};
// 声明和定义分离，需要指定类域 
void Stack::Init(int n)
{_arr = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (_arr == NULL){perror("maoolc fail");return;}_capacity = n;_size = 0;
}int main()
{Stack st;st.Init();return 0;
}

二、实例化

2.1 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。
    在这里插入图片描述
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:void Init(int year = 2025, int mouth = 8, int day = 29){_year = year;_mouth = mouth;_day = day;}void Print(){cout << _year << "/" << _mouth << "/" << _day << endl;}
private:// 这里只是声明，没有开空间 int _year;int _mouth;int _day;
};int main()
{// Date类实例化出对象d1、d2和d3 Date d1;d1.Init();d1.Print();Date d2;d2.Init(2024);d2.Print();Date d3;d3.Init(1,1,1);d3.Print();return 0;
}

2.2 对象大小

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？
首先我们要知道，函数被编译后是⼀段指令，对象中是没办法存储，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。但是，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。我们来看下汇编：

在这里插入图片描述解释：call指令用于调用子程序
从上图可以看出，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，不是在运时找，只有动态多态是在运时找，就需要存储函数地址（后续会讲）。
下图对于就很形象的说明了：
在这里插入图片描述

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。它和我们在C语言学的结构体内存对齐是一样的，详见【结构体内存对齐】

那我们来看一下：

class B
{
public:void Print(){//...}
};
class C
{
};
int main()
{B b;C c;cout << sizeof(b) << endl;cout << sizeof(c) << endl;return 0;
}

我们刚说过，对象中不包含成员函数，那上面的程序中对象的大小应该是多少呢？

在这里插入图片描述
上面的程序运行后，我们看到没有成员变量的B和C类对象的大小是1，为什么没有成员变量还要给1个字节呢？因为如果⼀个字节都不给，怎么表示对象存在过呢！所以这里给1字节，纯粹是为了占位标识对象存在。

三、this指针

我们继续以上述的日期类来说明。

  • 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)
  • 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。
#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){// 编译报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值 // this = nullptr;// this->_year = year;_year = year;this->_month = month;this->_day = day;}void Print(){cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{// Date类实例化出对象d1和d2 Date d1;Date d2;//d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);d1.Init(2024, 3, 31);d1.Print();d2.Init(2024, 7, 5);d2.Print();return 0;
}

对this指针有了了解后，我们来看一下两个类似的题目：在这里插入图片描述

解释：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
那答案已经很明显了，上述左边的代码并没有对this指针（nullptr）访问，而右边的对空指针访问，即运行崩溃。左边的就正常运行。

那this指针存在内存哪个区域呢？

栈区，this指针本质是形参，存放在栈区。

四、C++和C语言实现Stack对比

面向对象三大特性：封装、继承、多态，下面的对比我们可以初步了解⼀下封装。
C语言实现Stack代码：

#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];
}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Stack代码

#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;
}

通过下面两份代码对比，我们发现C++实现Stack形态上还是发生了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化。

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++的魅力吧。

五、总结

这些基础知识为我们后续学习类的默认成员函数、构造函数、析构函数等更深入的内容奠定了坚实的基础。面向对象编程的魅力正在于此：通过封装将数据和行为有机结合，创造出更加健壮和易维护的代码结构。

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