【C++修炼之路】类和对象（上）—— 入门篇

作者主页：anduin . 上篇文章我们总算把 C 语言的一些坑填完了，我们的 C++ 的知识点也相对入门了。而今天，我们将迎来 C++ 学习过程中的第一道难关：类和对象 。对于类和对象，我将分为上、中、下三部分。
今天是类和对象的第一部分，是入门篇，内容比较多，比较杂，有一定难度，所以小伙伴们打起精神，我们开始学习啦！
二、初识面向过程和面向对象
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 ；而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。
两种思想的设计方式截然不同，例如设计简单外卖系统：
面向过程：关注实现下单、接单、送餐等过程。体现到代码层面就是函数（方法），总体关注过程
面向对象：关注实现类对象及类对象间的关系。用户，商家，骑手，以及他们之间的关系，提现到代码层面就是类的设计和类之间的关系
C++是基于面向对象的语言：它可以面向过程和面向对象混编，原因是 C++ 兼容 C ；但是对于 java 等纯面向对象语言：只有面向对象。
两种思想的设计方式完全不同，而我个人认为其实面向对象的设计思想更加好，这些在我们之后的学习中就可以看出来。
三、类的引入和定义
C++ 中定义类有两个关键字 struct/class .
例如：
struct Stu{char name[10];int age;int id;};class cl{char id[10];char teacher[8];int tage;};
C++ 兼容 C 中结构体的用法，同时 struct 在 C++ 中也升级成了类 。
在 C 中创建结构体局部变量，需要写成：
struct Stu s1;
但是升级为类之后，Stu 就直接变为类的名称，当定义局部变量时，可以写为 Stu s2 ；但是也可以像上面那么写，因为 C++ 是兼容 C 的。
struct Stu s1; // 兼容 c Stu s2; // 升级到类，Stu 为类名，也是类型
同样，对它们进行访问也没问题：
C++中的 struct（类）和结构体不同的是：除了可以定义成员变量（变量）还可以成员函数（函数），成员函数可以访问成员变量，但是如果成员函数中的形参和成员变量相同 ，就像这样：
struct Stu{char name[10];int age;int id;void init(const char* name, int age, int id) {}};
这样就分不清形参和成员变量，所以C++就会引入 ‘_’ 的定义变量名，以作区分 ；所以通常会写作：
struct Stu{char _name[10];int _age;int _id;void init(const char* name, int age, int id) {}};
这样就会更加清晰明了，一眼看出它们之间的关系。
在接下来讲解之前，我再说明一个点，由于C++是面向对象的，所以一般把定义的变量叫做对象 ，虽然变量也对，但是最好叫对象，之后我也都会这么讲。这时，我们简单写一个类，应用我们学的知识：
struct Stu{char _name[10];int _age;int _id;void init(const char* name, int age, int id) {strcpy(_name, name);_age = age;_id = id;}void print(){cout << _name << endl;cout << _age << endl;cout << _id << endl;}};int main(){struct Stu s1;Stu s2;s1.init("anduin", 19, 1);s2.init("guldan", 20, 2);s1.print();s2.print();return 0;}
四、类的访问限定符及封装
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，通过访问权限选择性的将其接口提供给外部的用户使用。
面向对象的三大特性：封装、继承、多态。
封装的特性：
在类中，类的数据和方法都放到一起
访问限定符
而访问限定符是封装的一个很厉害的特性，基于访问限定符，可以对对象进行 严格管控 ，所以我们先学一下它。
1、访问限定符
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（它们类似，但本质不一样）
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的默认访问权限为private，struct为public(因为struct要兼容C)
默认访问限定符，即不写时，类中的默认访问权限；一般在定义类时，建议明确定义访问限定符 ，不要用 class/struct的默认限定
访问限定符是约束外面的，对于类中，则没有限定，类里面可以全局访问。
1, 2 点：
3, 4 点：
框起来的部分均为 public
5 点：
2、封装
封装是一种更好的严格管理，不封装是一种自由管理。
封装就是让数据和方法揉搓在一起，进行严格的管理。对于 C 是不封装的，是一种较松散的管理。C++ 是将数据和方法封装到类里面，C 是数据和方法分离的（数据访问控制是自由的，不受限制的）。
那么C++ 如何进行严格管理？假设定义一个栈：
class Stack{private:int* _a;int _top;int _capacity;public:void Init(){_a = nullptr;_top = _capacity;}void Push() {}void Pop() {}void Top() {}};int main(){    Stack st1;    Stack st2;    st1.Push();    st2.Pop();}
如果对于 C 语言，进行取top 其实可以有两种方式，就像我们实现的栈一样（代码在链接中），也可以通过下标进行访问；也可以调用 top 接口放元素。但是这种松散的方式，若不清楚 Stack 本身的状况贸然使用 很容易出错 ，就比如博客中的 top 有两个位置，一不小心就会使用出错。
并且C语言只是推荐调用接口函数，不推荐自己操作，并没有起到强制性的管理作用：
就好比都说“红灯停绿灯行”，这也是一种推荐，但是也会有人偏要做“孤勇者”，从而造成惨痛的结果，所以这里并不严格；如果硬是要强行访问结构，也没办法
但如果 C++ 将结构部分 定义成私有 ，方法定义成共有 ，进行严格管理，就不会出现之前的情况。
就比如：
private:int* _a;int _top;int _capacity;
这些是被 private 修饰，封装在类里面的，如果直接进行操作，即访问结构，就会报错，因为这时成员变量为私有，不让访问 。
而对于一些方法来说，可以通过 st.Push() / st.Top() 进行访问；用这些对象，调用相应的成员函数 ，不仅不要像之前一样 StackPush(&st1) 一样传参，并且由于成员函数就在类中，甚至连 StackPush 这样的函数名都不用写，因为这个类就是 Stack，对于成员函数直接写为 Push 即可；种种约定，让我们写代码十分舒适。
由此，我们总结一下，封装就是：
数据和方法都封装到类里
能访问定义成共有；不能访问定义成私有
好的，我给你用，不好的，直接锁死，不让你访问，这就是封装的好处 ，严格管控了。
较严格的定义：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
先举个例子，假设写一个栈，写两个文件：
Stack.h :
#pragma onceclass Stack{public:void Init();void push(int x);// ... private:int* _a;int capacity;int _top;};
Stack.cpp ：
当跨文件访问时，报错了。这是因为类是由作用域的，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：
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存储它 。
比如：入学时填写的学生信息表，表格就可以看成是一个类，来描述具体学生信息。类就像谜语一样，对谜底来进行描述，谜底就是谜语的一个实例。
一个类可以实例化多个对象：
就好比类是图纸，根据图纸可以建造出楼房，四栋都不是问题。
但是对于类本身是图纸，图纸并不能住人；房子才能住人。
所以对于类创建出来的对象，可以访问类中成员；但是对于类本身，是不能访问成员与方法的：
所以对于类仅仅起 描述作用 而已，真正使用还是要类对象 。而我们可以认为类这些代码存在代码段，是公共的。
七、类对象模型
1、类对象大小
对于类对象的大小，该如何计算？
class Stack{public:void Init();void push(int x);// ... private:int* _a;int _capacity;int _top;};
打印看看：
那么对象中存了成员变量，是否存了成员函数呢？ 答案是没存成员函数。如何理解？先修改代码（将 Stack 都变为公有），便于测试：
class Stack{public:void Init();void push(int x);// ... int* _a;int _capacity;int _top;};
对于两个不同的类对象，各自具有独立的空间，具有独立的成员变量：
但是调用成员函数只有一份。
2、类对象存储方式
那么为什么不包含成员函数？看下方成员变量和成员函数都存储的设计方式：
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。
但是如果采用设计方法，就可以减少对空间的消耗：
对于类中成员变量，独立保存起来；但是类中成员函数就和普通的函数一样存在于公共代码区，即代码段，也就是常量字符串存储地，这里存在代码段的含义就是：函数被编译后的指令存在于代码段。
对于如何计算类的大小有几点：
类中只计算成员变量的大小，计算方式满足C语言结构体内存对齐，不了解的话可以跳转结构体内存对齐
空类和只具有成员函数的类大小为 1
第 2 点说明：
对于空类和只有成员函数的类也有自己的地址，并不是空，所以一定有大小，编译器给了空类 1 字节来唯一标识空类（当然也有类的大小也为1，具体看实现）：
这 1 字节是为了占位，并不存储有效数据，标识对象被实例化定义了，表示存在 。
总结：计算类或类对象的大小，只看成员变量，并考虑内存对齐，C++内存对齐规则跟 C 结构体一致
八、this 指针
对于之后的学习，我们将围绕日期类和栈类，来对类和对象更好地理解，所以我们先写出一个日期类：
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;};
1、引子
我们先看一个问题，之前说过类中成员变量命名风格最好加上 ‘_’ ，以示区分；但如果不加区分，对于成员函数中访问的变量访问那个？
测试一下：
对于成员函数中的 year 的值是 2023 ，而日期对象 s 的 year 为随机值；说明如果发生这种情况，成员函数访问形参，遵守局部优先原则。
那如何让成员函数访问成员变量的 year ？，可以使用域作用限定符 ::
但是尽量不要这么写，其一是因为容易误导，其二是小题大做，明明只有命名风格的事情，又上升到语法了。
回到主线，我们继续测试日期类：
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(2023, 1, 31);d1.Print();Date d2;d2.Init(2023, 2, 1);d2.Print();return 0;}
此刻执行程序：
上面讲过 类的实例化 后，我们知道类实例化处的每个对象是独立的，所以对象的成员变量是独立的，但是多个类对象都使用共同的成员函数 ：
我们调试起来转到反汇编看一下：
看到 call 指令这一行，发现函数的地址是相同的，也印证了我们的说法：不同对象使用相同成员函数。
2、特性
但是有个问题，就拿 Print 函数来说，当 d1 调用 Print 函数时，打印的是 d1 的成员变量；当 d2 调用时，打印的是 d2 的成员变量。而类对象中的成员变量是独立的，如何做到每次调用都可以输出正确的成员变量的？
这就依靠的是 this 指针 ：
对于 d1._year ，即对象访问成员变量，意义是在类对象这块空间中，访问到 _year 这个成员变量，对其进行操作：
而对于 d1.Print() ，则是访问成员函数，是到公共区域代码段上找到成员函数，找到变为 call 指令，进行调用，这里有两层，第一层就是我们前面说的；第二层就是 this 指针。
举一个游泳的例子：
好比说，在公共游泳馆中，大家都可以去游泳，因为有一个公有的泳池，就好比是成员函数；对于每一个对象，也就是游泳的人，都可以去游泳。
但是每个人去游泳都要穿泳衣，可是泳衣是独立的，不可能每个人都穿同一套泳衣，这个泳衣就好比是成员变量，每个对象都有独立的成员变量。
而泳衣是必须的，因为你不可能不穿衣服去游泳，所以我得找到我的泳衣；对于游泳馆，会发一个号码牌，通过号码，指向对应的柜子，让你存放你的衣物，这就好比是 this 指针，用 this 指针找到你的衣服后，再穿好泳衣，去游泳，这就完成了通过 this 指针找到成员变量，调用成员函数的过程。
当代码被编译之后，编译器会对成员函数进行处理，例如这里的 Print 函数，就有一个隐藏的 this 指针 ，类似：
void Print(Date* const this) // const 是因为 this 指针不可改，this 是指针，所以直接用 const 修饰 this {    cout << this->year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;}// 调用 d1.Print(&d1);
大约就是这么处理的。当不同的对象调用时，根据传过来的地址，this 指针会指向不同的对象。同理，对于 Init 函数也是这样，我就不多赘述了。
但是注意一点，虽然道理是这样，但是我们不能这么写，例如 d1.Print(&d1) 就会报错，因为 this 指针是隐藏的，统一规定就别写，由此提炼出两点：
调用成员函数时，不能显示传实参给 this
定义成员函数时也不能声明形参 this
即形参和实参不能写，但是在成员函数中，是可以显示写的，但是很少用：
cout << this->year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
甚至打印 this 指针也是可以的：
void Print(Date* const this) // const 是因为 this 指针不可该，this 是指针，所以直接用 const 修饰 this {    cout << this << endl;    cout << this->year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;}
这里打印的 this 指针的地址，就是对应对象的地址：
但是我们一般不这么写，在一些场景下，需要显示用 this ，这个我们之后再看。
this 指针在哪里？一般情况下在栈区，因为 this 指针是隐含的形参，this 指针并不在对象中 。而 this 指针不需要处理，一般会直接转换为指令，我们不用担心。
但是有时也会特殊处理：
在 vs 下，有些情况会将对象的地址（即 this 指针）放到寄存器 ecx 中，因为在调用成员函数时 this 指针要被经常使用（this->_year）。
3、考题
接下来，通过这几个题目看看你对于类的理解吧！
q1 ：
// 1.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行class A{public:void PrintA(){cout << "Print()" << endl;}private:int _a;};int main(){A* p = nullptr;p->Print();return 0;}
q2 ：
// 1.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 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();return 0;}
q3：
// 1.下面程序编译运行结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行class A{public:void PrintA(){cout << "PrintA()" << endl;}private:int _a;};int main(){A* p = nullptr;(*p).PrintA();return 0;}
答案揭晓：
q1 ：C 正常运行
q2：B 运行奔溃
q3：C 正常运行
可是，为什么？别急，我们一个个讲解。
q1分析：
PrintA() 是成员函数，成员函数在代码段，在公共区域；虽然 p 是空指针，但是访问公共区域并不会报错，因为我不需要到对象里面找。
而调用函数，会把 p 当做 this 指针传过去，在 PrintA() 函数中，并没有解引用，所以没有问题，只不过此刻的 this 指针为空而已。
提一个注意点 ：
这里可以定义变量访问 PrintA 函数，也可以用指针，例如 d.PrintA() 和 p->PrintA() 都是可以的；但是千万不要写成 PrintA(); 的形式，因为类是有作用域的，在调用函数时，只会默认在全局找，得规定在哪个类中，二是因为 this 指针的问题，因为此刻没有对象，this 指针也不清楚，所以这样是错误的.
q2 分析：
同理 PrintA() 在公共区域，所以调用时是没有问题的，问题在于当 this 指针传递过去后，函数中是这样的：cout << _a << endl; 这里实际上为 cout <_a << endl ，对空指针进行了解引用，这就崩溃了。
q3 分析：
PrintA() 是公共的，不在对象里面；这里表面上看 (*p).PrintA() 是对空指针进行解引用了，其实并没有，编译器对其进行了处理，这里是把 p 传递给了 this ，而这里本质上和 p->PrintA() 是相同的，我们看一下汇编代码：
这里的崩溃与否取决于访问的东西是否在对象中，如果访问的是公共区域，那么就再看传递的 this 指针为空指针时，会不会对对象进行解引用。
九、结语
到这里，本篇博客就到此结束了。
今天的干货还是很多的，主要是多和杂，如果看完一遍不太理解的小伙伴们可以反复看看，去试试程序。
而今天的掌握程度对于下篇文章的学习是起决定性作用的，因为类和对象中的知识点更多，更难。所以小伙伴们要好好消化，努力攻克类和对象这一难关。
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那么我们下期见！