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C++第一节：类与对象

news 来源：原创 2025/6/8 12:17:27

一、面向过程与面向对象

C语言是面向过程的，关注的是过程，分析求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题。

用洗衣服来举例：

C++是面向对象的，关注的是对象，将一件事拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成。

有三大特性：封装、继承、多态。

用洗衣服来举例：

在C++中，人不需要关注具体如何洗衣服。

二、类

2.1 类的引入

C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体不仅可以定义变量，还可以定义函数。比如：在数据结构中，用C语言方式实现栈，结构体只能定义变量；现在用C++实现，会发现struct中也可以定义函数。

typedef int DataType;
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;
     }
     void Push(const DataType& data)
     {
         // 扩容
         _array[_size] = data;
         ++_size;
     }
     DataType Top()
     {

         return _array[_size - 1];
     }
     void Destroy()
     {
         if (_array)
             {
                 free(_array);
                 _array = nullptr;
                 _capacity = 0;
                 _size = 0;
              }
     }
 DataType* _array;
 size_t _capacity;
 size_t _size;
};

int main()
{
     Stack s;
     s.Init(10);
     s.Push(1);
     s.Push(2);
     s.Push(3);
     cout << s.Top() << endl;
     s.Destroy();
     return 0;
}

上面结构体定义，在C++中更喜欢用class来定义。

2.2 类的定义

class className
{
    // 类体：由成员函数和成员变量组成
};  // 一定要注意后面的分号

class为定义类的关键字，className为类的名字，{ }中为类的主体，后面的分号不能省略。

类主体中的内容称为类的成员：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。

类的两种定义方式：

1.声明和定义全部放在类体中，需注意：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。

                          // 声明和定义全部放在类体中
//人
class Person
{
public:
    //显示基本信息
    void showlnfo()
    {
        cout <<_name<<"-"<< _sex<<"-"<< _age<<endl; 
    }
public:
    char*_name;   //姓名
    char*_sex;    //性别
    int* _age;     //年龄
};

2. 类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名:

       // 声明放在类的头文件person.h中
//人
class Person
{
public:
    //显示基本信息
    void showInfo();
public:
    char* _name; // 姓名
    char* _sex;  //性别
    int* _age; // 年龄

};

        // 定义放在类的实现文件person.cpp中
#include "person.h"

//显示基本信息，实现:输出名字、性别、年龄
void Person::showlnfo()
{
    cout <<_name <<"-" <<_sex <<"-"<<_age << endl;
}

一般情况下，更期望采用第二种方式。

2.3 类的访问限定符与封装

2.3.1 访问限定符

C++实现封装的方式：用类将对象的属性和方法结合在一起，当对象更加完善，通过访问权限选择性的将接口提供给外部的用户使用。

【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斜视的成员变量在类外不能直接被访问
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符出现为止
如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束
class的默认访问权限为private，struct 为 public

注意：访问限定符只在编译的时候有效，当数据映射到内存后，没有任何访问限定符上的区别

问题：C++中struct和class有什么区别？

答：C++需要兼容C语言，所以在C++中struct可以当做结构体使用。另外C++中struct还可以用来定义类，区别是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。

2.3.2 封装

定义：将数据和操作数据的方法进行有机结合，隐藏数据的属性和实现细节，仅仅对外公开接口和对象进行交互。

封装的本质是一种管理，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，不用关心内部核心部件，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。

2.4 类的作用域

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。在类外定义成员时，需要使用::（作用域操作符）指明成成员属于哪一个类域。

class Person
{
public:
     void PrintPersonInfo();
private:
     char _name[20];
     char _gender[3];
     int  _age;
};

// 这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonInfo()
{
     cout << _name << " "<< _gender << " " << _age << endl
}

2.5 类的实例化

用类类型创建对象的过程称为类的实例化。

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储存它。比如：入学时填写的学生信息表，带有提示的空表格就可以看成是个类，来描述具体学生信息。
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，存储成员变量。
做一个比方。类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造房子，类就是图纸，实际建造的房子就是类的实例化，图纸不占用空间，房子才占用空间。

2.6 类的对象大小的计算

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？

答：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。

2.7 类成员函数的this指针

2.7.1 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。

2.7.2 this指针的特性

this指针的类型：类类型* const，即成员函数中，不能给this指针赋值。
只能在“成员函数”的内部使用
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。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参，一般情况由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递

三、类的六个默认成员函数

如果一个类中什么成员都没有，简称为空类。

空类中真的什么都没有吗？并不是，任何类在什么都不写时，编译器会自动生成以下6个默认成员函数。

默认成员函数：用户没有显式实现，编译器会生成的成员函数称为默认成员函数。

3.1 构造函数

3.1.1 概念

对于以下Date类：

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;
     int _month;
     int _day;
};

int main()
{
     Date d1;
     d1.Init(2022, 7, 5);
     d1.Print();
     Date d2;
     d2.Init(2022, 7, 6);
     d2.Print();
     return 0;
}

对于Date类，可以通过 Init 公有方法给对象设置日期，但如果每次创建对象时都调用该方法设置信息，未免有点麻烦，那能否在对象创建时，就将信息设置进去呢？

构造函数是一个特殊的成员函数，名字与类名相同,创建类类型对象时由编译器自动调用，以保证每个数据成员都有一个合适的初始值，并且在对象整个生命周期内只调用一次。

3.1.2 特性

构造函数是特殊的成员函数，需要注意的是，构造函数虽然名称叫构造，但是构造函数的主要任务并不是开空间创建对象，而是初始化对象。

其特征如下：

1. 函数名与类名相同。

2. 无返回值。

3. 对象实例化时编译器自动调用对应的构造函数。

4. 构造函数可以重载。

class Date
 {
  public:
      // 1.无参构造函数
      Date()
     {}
  
      // 2.带参构造函数
      Date(int year, int month, int day)
     {
          _year = year;
          _month = month;
          _day = day;
     }
  private:
      int _year;
      int _month;
      int _day;
 };
  
  void TestDate()
 {
      Date d1; // 调用无参构造函数
      Date d2(2015, 1, 1); // 调用带参的构造函数
  
      // 注意：如果通过无参构造函数创建对象时，对象后面不用跟括号，否则就成了函数声明
      // 以下代码的函数：声明了d3函数，该函数无参，返回一个日期类型的对象
      // warning C4930: “Date d3(void)”: 未调用原型函数(是否是有意用变量定义的?)
      Date d3();
 }

5. 如果类中没有显式定义构造函数，则C++编译器会自动生成一个无参的默认构造函数，一旦用户显式定义编译器将不再生成。

6. 关于编译器生成的默认成员函数，很多童鞋会有疑惑：不实现构造函数的情况下，编译器会生成默认的构造函数。但是看起来默认构造函数又没什么用？d对象调用了编译器生成的默认构造数，但是d对象_year/_month/_day，依旧是随机值。也就说在这里编译器生成的默认构造函数并没有什么用？？

解答：C++把类型分成内置类型(基本类型)和自定义类型。内置类型就是语言提供的数据类型，如：int/char...，自定义类型就是我们使用class/struct/union等自己定义的类型。

7. 无参的构造函数和全缺省的构造函数都称为默认构造函数，并且默认构造函数只能有一个。注意：无参构造函数、全缺省构造函数、我们没写编译器默认生成的构造函数，都可以认为是默认构造函数。

3.2 析构函数

3.2.1 概念

通过前面构造函数的学习，我们知道一个对象是怎么来的，那一个对象又是怎么没呢的？

析构函数：与构造函数功能相反，析构函数不是完成对对象本身的销毁，局部对象销毁工作是由编译器完成的。而对象在销毁时会自动调用析构函数，完成对象中资源的清理工作。

3.2.2 特性

1. 析构函数名是在类名前加上字符 ~。

2. 无参数无返回值类型。

3. 一个类只能有一个析构函数。若未显式定义，系统会自动生成默认的析构函数。注意：析构函数不能重载。

4. 对象生命周期结束时，C++编译系统系统自动调用析构函数。

5. 如果类中没有申请资源时，析构函数可以不写，直接使用编译器生成的默认析构函数，比如 Date类；有资源申请时，一定要写，否则会造成资源泄漏，比如Stack类。

3.3 拷贝构造函数

3.3.1 概念

在创建对象时，可否创建一个与已存在对象一某一样的新对象呢？

拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

3.3.2 特征

拷贝构造函数也是特殊的成员函数，其特征如下：

1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。

2. 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。

3. 若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。

4. 拷贝构造函数典型调用场景：

使用已存在对象创建新对象
函数参数类型为类类型对象
函数返回值类型为类类型对象

3.4 赋值运算符重载

3.4.1 运算符重载

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其
返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。

函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

注意：

不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@
重载操作符必须有一个类类型参数
用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不能改变其含义
作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this
.* :: sizeof ? : . 注意以上5个运算符不能重载。这个经常在笔试选择题中出现。

3.4.2 赋值运算符重载

1. 赋值运算符重载格式

参数类型：const T&，传递引用可以提高传参效率
返回值类型：T&，返回引用可以提高返回的效率，有返回值目的是为了支持连续赋值
检测是否自己给自己赋值
返回*this ：要复合连续赋值的含义

2. 赋值运算符只能重载成类的成员函数不能重载成全局函数

原因：赋值运算符如果不显式实现，编译器会生成一个默认的。此时用户再在类外自己实现一个全局的赋值运算符重载，就和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突了，故赋值运算符重载只能是类的成员函数。

3. 用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝。

注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值。

3.4.3 前置++和后置++

前置++和后置++都是一元运算符，为了让前置++与后置++形成能正确重载。

前置++：返回+1之后的结果

注意：this指向的对象函数结束后不会销毁，故以引用方式返回提高效率

C++规定：后置++重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递，编译器自动传递。

注意：后置++是先使用后+1，因此需要返回+1之前的旧值，故需在实现时需要先将this保存一份，然后给this+1。

3.5 const成员

将const修饰的“成员函数”称之为const成员函数，const修饰类成员函数，实际修饰该成员函数隐含的this指针，表明在该成员函数中不能对类的任何成员进行修改。

3.6 取地址及const取地址操作符重载

这两个默认成员函数一般不用重新定义，编译器默认会生成。

这两个运算符一般不需要重载，使用编译器生成的默认取地址的重载即可，只有特殊情况，才需要重载，比如想让别人获取到指定的内容！

class Date
{ 
public :
     Date* operator&()
     {
         return this ;
     }
     const Date* operator&()const
     {
         return this ;
     }
private :
     int _year ; // 年
     int _month ; // 月
     int _day ; // 日
};

3.7默认成员函数的练习

以日期类为例：

class Date
{
public:
     // 获取某年某月的天数
     int GetMonthDay(int year, int month)
     {
         static int days[13] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
         int day = days[month];
         if (month == 2&&((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year%400 == 0)))
         {
             day += 1;
         }
         return day;
     }
 
    // 全缺省的构造函数
     Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1);
    // 拷贝构造函数
     // d2(d1)
     Date(const Date& d);
    
    // 赋值运算符重载
     // d2 = d3 -> d2.operator=(&d2, d3)
     Date& operator=(const Date& d);
    // 析构函数
     ~Date();
    // 日期+=天数
     Date& operator+=(int day);
    // 日期+天数
     Date operator+(int day);
    // 日期-天数
     Date operator-(int day);
     // 日期-=天数
     Date& operator-=(int day);
    // 前置++
    Date& operator++();
    // 后置++
     Date operator++(int);
    // 后置--
     Date operator--(int);
    // 前置--
     Date& operator--();
 
    // >运算符重载
     bool operator>(const Date& d);
    // ==运算符重载
     bool operator==(const Date& d);
    // >=运算符重载
     bool operator >= (const Date& d);
    
    // <运算符重载
     bool operator < (const Date& d);
     // <=运算符重载
     bool operator <= (const Date& d);
    // !=运算符重载
     bool operator != (const Date& d);
    // 日期-日期 返回天数
     int operator-(const Date& d);
private:
     int _year;
     int _month;
     int _day;
};