C++初阶——类和对象（二）

发布于：2025-03-17 ⋅ 阅读:(8) ⋅ 点赞:(0)

C++初阶——类和对象（二）

本期内容书接上回，继续讨论类和对象相关内容。类和对象属于C++初阶部分，主要反映了面向对象编程的三大基本特点之一——封装，在C++的学习中占有举足轻重的地位！

一、类对象模型

1.如何计算基于一个类创建出的对象大小？

（1）使用sizeof计算

我们先来复习一下什么是类，什么是对象。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。通过class关键字将数据与操作（成员函数）绑定。类定义仅仅是逻辑的蓝图，就像是一个房间的设计图纸，并不能真正的住进去，因此，我们需要对类进行实例化才会创建出具体的对象，分配内存空间。同一个类可以实例化出多个不同的对象。因此，从实际意义上来说，我们所计算的内存空间，并不是类本身，而是基于类创建出的对象的大小。当然，仅仅从计算这个层面出发，我们可以通过类来计算如果用这个类来创建对象，对象应该会占用多少空间，就好比我们可以通过房屋的设计图纸来计算房屋建成后，理论上会占用多大的面积，我们来举个例子，分别看一看：

  • 第一种计算方法：
    示例1
    在这里，我们先通过类实例化一个对象，就像是先根据图纸把房子建好，然后再测量房子的占地面积。
  • 第二种计算方法：
    示例2
    这里我们并没有示例化一个对象，而是直接计算类的大小，也是很好理解的，因为我们有了房屋的设计图，就能够准确地计算出房屋的占地面积了。
  • 当然，还有一个简单的方式，直接把鼠标移动到类名上即可，它会自动出现一些详细信息：
    示例3
（2）直接计算

直接计算就涉及到结构体的内存对齐规则了，知识C语言方面的知识。在这里也简单的复习一下：

  • 第一个成员在与结构体偏移量为0的地址处。
  • 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 = 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）
  • 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较小）的整数倍。
  • 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。
    我们来举个例子：
    示例4
    根据对齐数 = 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），int a的对齐数为4（int a本身大小为4，默认对齐数为8，取较小值）；同理，int b对齐数也为4；char c的对齐数为1（char c本身大小为1，默认对齐数为8，取较小值）。 根据结构体总大小为：最大对齐数（所有变量类型最大对齐数与默认对齐数的较小值）的整数倍，这里的成员变量的对齐数最大值为4，和默认对齐数8相比较小，因此最终结构体对齐方式为4个字节，a占4字节，b占4字节,c占4字节（用1个字节，空3个字节）。
为什么需要结构体内存对齐规则？

CPU是一次性读取一定的字节数，我们以这样的一个结构体为例：
示例5
char型占用一个字节，int型占用4个字节，假设CPU一次读取4个字节。

  • 如果是连着存储，那么就是CPU一次读取的4个字节中有一个字节属于char a，另外三个字节属于int b的一部分，b并没有被一下子读取完整，因此需要再读一次，然后将两次读取的结果拼接，然而拼接数据的耗时会大大增加。
  • 如果使用内存对齐，那么前4个字节中，有一个字节是char，后三个字节空着，然后接下来的四个字节完整的存储一个int b，CPU一下子就能把b的值读完整，避免了拼接，提高了效率，这是一种以空间换时间的方式。

2.类和对象相关的存储方式

刚才在计算的过程中，我们好像只在讨论类中成员变量对应的空间，就算出了对象的大小，但是类里面还有成员函数呢，它们占据空间吗？

  • 我们以这样一段代码为例：
    示例6
    根据上文的计算，这里的对象是12个字节，函数并没有占用空间。其实，这也是很好理解的。成员函数和成员变量不同，它是一个方法。基于同一个类创建出的不同的对象各自的成员变量是自己的，但是操作方法是一样的，是共同的，比如说这里的一个函数，它就是一个打印两个数相加的功能，不管什么对象都一样。就好比一个小区，每家每户的房子是自个儿的，但是那些篮球场，游泳池是大家共用的，没有必要每建一间房，都要配上一个篮球场，游泳池。在这里也一样，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。
  • 如果一个类中没有成员变量，只有成员函数或者什么都没有，如图所示：
    示例7
    示例8
    没有成员变量的类对象，需要1字节，是为了占位，表示对象存在，并没有存储有效数据。

二、this指针

我们以日期类为例：
示例9
在这个日期类中，我们定义了年、月、日三个成员变量，并且还有初始化以及打印这两个函数。我们再实例化几个对象：
示例10
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？这里，我们就要引入一个新的内容——this指针！
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，即用户不需要传递，编译器自动完成。
如图所示：
示例11
比如：

Date d1;
d1.Init(2025, 3, 9);
d1.Print();

这里this指针就是指向的d1，然后通过this指针访问d1里的成员变量。
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。也就是说this指针在使用时不能指向别的对象，只能指向当前对象，但是可以修改当前对象的内容。
  • 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、C语言和C++实现一个栈的对比

1.C语言实现

（1）头文件
#pragma once

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>

typedef int DataType;

struct Stack
{
	DataType* a;
	int top;
	int capacity;
};

typedef struct Stack Stack;

void StackInit(Stack* ps);
void StackPush(Stack* ps, DataType x);
bool StackEmpty(Stack* ps);
void StackPop(Stack* ps);
DataType StackTop(Stack* ps);
int StackSize(Stack* ps);
void StackDestroy(Stack* ps);
（2）源文件
#include"Stack.h"

void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);//先开辟4个数据的空间
	if (ps->a == NULL)//基本操作，检查动态内存开辟是否成功
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	ps->top = -1;//top指的是栈顶元素的位置，现在栈中没有插入数据，因此top为-1，待插入数据后，top+1变为0，刚好和数组的下标相对应（第一个数据下标为0）
	ps->capacity = 4;//表示初始化后栈中能存4个数据
}

void StackPush(Stack* ps, DataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top + 1 == ps->capacity)//检查是否需要扩容，top是数组的下标位，我们都知道，数组的下标位是比数组实际数据个数少1的，因此需要top+1
	{
		DataType* tmp = (DataType*)realloc(ps, sizeof(DataType) * ps->capacity * 2);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;//tmp指向的是调整后内存的起始地址
	}
	ps->capacity *= 2;//经过扩容，容量变为原来的两倍
	ps->top++;//现在是插入数据，栈顶的下标位要+1了
	ps->a[ps->top] = x;//在栈顶处插入数据
}

bool StackEmpty(Stack* ps)//判断栈中是否存在数据，如果为空，则返回1，如果不为空，则返回0
{
	assert(ps);
	return ps->top == -1;//当栈为空时，其特点就是栈顶的下标位为-1
}

void StackPop(Stack* ps)//栈顶数据出栈
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//assert里面的内容为0（或者NULL）时会生效，如果现在想让它生效，则要(!StackEmpty(ps))为0，则StackEmpty(ps)为1，此时就是栈中数据为空的情况
	ps->top--;//所谓出栈，就是将栈顶的下标位-1，这样在取出元素的时候就取不到已经出了栈顶数据了
}

DataType StackTop(Stack* ps)//查看栈顶的元素
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top];
}

int StackSize(Stack* ps)//查看一下栈中有几个元素
{
	assert(ps);
	return ps->top + 1;//数组下标位+1为元素个数
}

void StackDestroy(Stack* ps)//栈的销毁
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = -1;
	ps->capacity = 0;
}

不难发现，代码量还是很大的，具体细节在数据结构专栏有详细讲解。

2.C++实现

typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	void Init()
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
		if (NULL == _array)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		_capacity = 3;
		_size = 0;
	}	
	void Push(DataType data)
	{
		CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	void Pop()
	{
		if (Empty())
			return;
		_size--;
	}
	DataType Top() 
	{ 
		return _array[_size - 1]; 
	}
	int Empty() 
	{ 
		return 0 == _size; 
	}
	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 fail");
				return;
			}
			_array = temp;
			_capacity = newcapacity;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};

C++中通过类可以将数据以及操作数据的方法（函数）进行完美结合，通过访问权限可以控制那些方法在类外可以被调用，即封装，在使用时就像使用自己的成员一样，更符合人类对一件事物的认知。而且每个方法不需要传递Stack*的参数了，编译器编译之后该参数会自动还原，即C++中 Stack * 参数是编译器维护的，C语言中需用用户自己维护。

本期总结+下期预告

本期内容书接上回，继续讨论类和对象相关知识。下期将为大家带来类和对象中非常重要的部分——构造函数、析构函数等内容！

感谢大家的关注，我们下期再见！
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