C++ 类与对象(上)

文章目录

  • 类的引入
  • 类的定义
    • 类的两种定义方式:
  • 类的访问限定符及封装
    • 访问限定符
    • 封装
  • 类的作用域
  • 类的实例化
  • 类对象模型
    • 如何计算类对象的大小
    • 类对象的存储方式猜测
    • 结构体内存对齐规则
  • this指针
    • this指针的引出
    • this指针的特性

类的引入

C语言中,结构体中只能定义变量,在C++中,结构体内不仅可以定义变量,也可以定义函数。

struct Student
{
     
	//在类里面定义函数
	void SetStudentInfo(const char* name, const char* gender, int age)
	{
     
		strcpy(_name, name);
		strcpy(_gender, gender);
		_age = age;
	}
	
	//在类里面定义函数
	void PrintStudentInfo()
	{
     
		cout<<_name<<" "<<_gender<<" "<<_age<<endl;
	}
    
//在类里面定义变量
char _name[20];
char _gender[3];
int _age;
};

int main()
{
     
	Student s;
	s.SetStudentInfo("Peter", "男", 18);
	return 0;
}

上面结构体的定义,在C++中更喜欢用class来代替

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,注意类定义结束时后面分号。

类中的元素称为类的成员:类中的数据称为类的属性或者成员变量; 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

    C++ 类与对象(上)_第1张图片

  2. 声明放在.h文件中,类的定义放在.cpp文件中

    C++ 类与对象(上)_第2张图片

一般情况下,更期望采用第二种方式。

类的访问限定符及封装

访问限定符

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

C++ 类与对象(上)_第3张图片

【访问限定符说明】

  1. public修饰的成员在类外可以直接被访问

  2. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的)

  3. 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

  4. class的默认访问权限为private,struct为public(因为struct要兼容C)
    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】
问题: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,区别是struct的成员默认访问方式是public,class是struct的成员默认访问方式
是private。

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。
封装本质上是一种管理:我们如何管理兵马俑呢?比如如果什么都不管,兵马俑就被随意破坏了。那么我们首先建了一座房子把兵马俑给封装起来。但是我们目的全封装起来,不让别人看。所以我们开放了售票通
道,可以买票突破封装在合理的监管机制下进去参观。类也是一样,我们使类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。开放一些共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

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 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;
}

短小的的成员函数,直接在类里面定义,就默认是内联函数

代码长的成员函数建议声明和定义分离

私有的数据可以通过共有的函数来操作,比如栈,栈的成员变量可以私有,在外部就无法访问成员变量,要想对成员变量进行操作可以使用公有的成员函数。

类的实例化

  1. 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
  2. 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
  3. 做个比方。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,只设计出需要什么东西,但是并没有实体的建筑存在,同样类也只是一个设计,实例化出的对象才能实际存储数据,占用物理空间

C++ 类与对象(上)_第4张图片

C++ 类与对象(上)_第5张图片

类对象模型

如何计算类对象的大小

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?

答案:一个类的对象中只包含了成员变量,一个类的大小只包括成员变量的大小,根据内存对齐方式来确定类的大小。

类对象的存储方式猜测

  • 对象中包含类的各个成员

    C++ 类与对象(上)_第6张图片

    缺陷: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。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

    C++ 类与对象(上)_第7张图片

一个类实例化出N个对象,每个对象的成员变量可以存储不同的值,但是调用的函数却是同一个,如果每个对象都放成员函数,而这些成员函数却是一样的,就会浪费空间。

我们再通过对下面的不同对象分别获取大小来分析看下

// 类中既有成员变量,又有成员函数
class A1 {
     
public:
void f1(){
     }
private:
int _a;
};

// 类中仅有成员函数
class A2 {
     
public:
void f2() {
     }
};

// 类中什么都没有---空类
class A3
{
     };

sizeof(A1) : 4

sizeof(A2) : 1

sizeof(A3) : 1

结论:一个类的大小,实际就是该类中”成员变量”之和,当然也要进行内存对齐,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。

为什么给了1个字节而不是0个字节呢?

开1个字节不是为了存数据,是为了占位,表示其存在。

如果一个类没有成员,那么他的对象需要给1byte进行占位来标识对象存在,这1byte不存储有效数据

结构体内存对齐规则

  1. 第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。

  2. 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

    注意:对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。
    VS中默认的对齐数为8

  3. 结构体总大小为:最大对齐数(所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小)的整数倍。

  4. 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】

  1. 结构体怎么对齐? 为什么要进行内存对齐

    1. 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。

    2. 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,处理需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问

  2. 如何让结构体按照指定的对齐参数进行对齐

    使用#pragma pack

  3. 如何知道结构体中某个成员相对于结构体起始位置的偏移量

    C语言中的宏offsetof可以计算,本质上是:#define my_offsetof(s, m) (size_t)&(((s*)(0))->m)

    C++ 类与对象(上)_第8张图片

    (s*)(0)意思是将0地址变成一个s类型的结构体的起始地址,再对引用某个成员(s *)(0)->m,对该成员取地址

    &((s *)(0)->m),得到的是该成员的地址,而因为起始地址为0,所以该成员的地址就是相对起始位置的偏移量。

  4. 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

    大小端在计算机业界,Endian表示数据在存储器中的存放顺序

    大端模式,是指数据的高字节保存在内存的低地址中,而数据的低字节保存在内存的高地址中,这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理:地址由小向大增加,而数据从高位往低位放;

    小端模式,是指数据的高字节保存在内存的高地址中,而数据的低字节保存在内存的低地址中,这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来,高地址部分权值高,低地址部分权值低,和我们的逻辑方法一致。

    比如一个整型10,将它的32位按十六进制从高位到低位表示:00 00 00 0A

    在大端中的存储方式是:

    C++ 类与对象(上)_第9张图片

    小端中的存储方式是:

    C++ 类与对象(上)_第10张图片

    测试大小端(使用共用体Union):

    union U {
           
    	char a;
    	int b;
    };
    
    int main()
    {
           
    	U u1;
    	u1.b = 1;
    	if (u1.a == 1)
    	{
           
    		printf("小端\n");
    	}
    	else
    		printf("大端\n");
    	return 0;
    }
    
    

    原理:U中的a和b是共用一块空间的,a占一个字节,能使用的只有b的一个低地址处的字节

    如果当前机器是小端,则b=1,按照地址从低到高,存储方式就是:01 00 00 00

    a能够访问的就是低地址处的01

    如果当前机器是大端,则b=1,按照地址从低到高,存储方式就是:0 00 00 01

    a能够访问的就是低地址处的00

this指针

this指针的引出

我们先来定义一个日期类Date

class Date
{
     
public :
void Print ()
{
     
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, d2;
    d1.SetDate(2018,5,1);
    d2.SetDate(2018,7,1);
    
    d1.Print();
    d2.Print();
    return 0;
}

对于上述类,有这样的一个问题:

Date类中有SetDate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s1调用SetDate函数
时,该函数是如何知道应该设置s1对象,而不是设置s2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。

所以上述函数调用时,实际上是这样的:

//规定this指针默认放在第一个参数位置
d1.SetDate(&d1,2018,5,1);
d2.SetDate(&d2,2018,7,1);
d1.Print(&d1);
d2.Print(&d2);

但我们调用时不得私自加上这个指针参数

image-20210906154018448

并且在定义类成员函数时,实际上也是这样的

//在定义成员函数时也可以这么写
void Display()
	{
     
		cout << this->_year << "-" << this->_month << "-" << this->_day << endl;
	}
void SetDate(int year, int month, int day)
	{
     
		this->_year = year;
		this->_month = month;
		this->_day = day;
	}

C++ 类与对象(上)_第11张图片

我们只是看上去没有传参数, 实际上是传了调用Print函数的类的地址。

this指针的特性

  1. this指针的类型:类类型* const
  2. 只能在“成员函数”的内部使用
  3. 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。
  4. 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

C++ 类与对象(上)_第12张图片

【面试题】

  1. this指针存在哪里?

  2. this指针可以为空吗?

我们先看下面的代码,再回答这两个问题

// 1.下面程序能编译通过吗?
// 2.下面程序会崩溃吗?在哪里崩溃
class A
{
     
public:
void PrintA()
{
     
	cout<<_a<<endl;
}
void Show()
{
     
	cout<<"Show()"<<endl;
}
private:
int _a;
};

int main()
{
     
    Date* p = NULL;
    p->PrintA();
    p->Show();
}

答案:p->PrintA()崩溃,p->Show()通过,因为PrintA中需要用到this指针,并对this指针指向的类的成员变量进行访问,而p是一个空指针,没有指向任何类,所以函数内部对_a(实际上是this-> _a)的引用失败

而对于p->Show(),Show函数在公共代码段,所以p对其不用解引用,并且Show()函数中,并没有对p进行解引用,所以不会引发错误。

最开始两个问题的答案:

1.this指针是存放在栈上的,因为它是一个形参。

注:vs下是在ecx这个寄存器下存放的,因为this指针要被多次使用,所以把它放在寄存器中,方便快速访问。

2.如上面代码所示,this指针是可以为空的,只要在类成员函数内不使用this指针。

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