C++学习之路（C++初阶）——类和对象（上）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了C++学习之路（C++初阶）——类和对象（上）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

C++学习之路（C++初阶）——类和对象（上）

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C++学习之路（C++初阶）——类和对象（上）

前言

本博客主要为学习C++类和对象内容做准备，开头补充一些C++特殊语法，而且可能会在后面用到的语法
这几个语法和C语言不太相似，具体请友友仔细品味！！！

上篇博客《命名空间》只是为C++开了个头，这篇才是正菜

✨学习类和对象前的补充知识

C++之父为了方便，创造了C++独特的一些语法来补充C语言的不足，接下来让我们来看看还有哪些语法糖让我们吃

🐾C++输入与输出

C语言有scanf()和printf()来实现输入与输出，那么我们C++就有自己的输入与输出格式
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说明：

使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。

cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出，他们都包含在包含头文件中。

<<是流插入运算符，>>是流提取运算符。

使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格式。C++的输入输出可以自动识别变量类型。

实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识，这些知识在后面会学习，所以这里只是简单学习他们的使用。后面还有一个部分更深入的学习 IO流用法及原理。

关于cout和cin还有很多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等等。

关于std还有一些补充
std命名空间的使用惯例：

在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。

using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc6.0)中还支持<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用+std的方式。

是不是自动识别类型很香，但是有些时候还是得用scan和printf，所以不要忘了C语言的语法

🐾缺省参数

🎭缺省参数概念
缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参
🎭缺省参数分类

缺省参数分为全缺省参数与半缺省参数

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🎭注意

半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给

缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现
注意：如果生命与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该用那个缺省值。

缺省值必须是常量或者全局变量

C语言不支持（编译器不支持）

🐾函数重载

自然语言中，一个词可以有多重含义，人们可以通过上下文来判断该词真实的含义，即该词被重载了。
比如：以前有一个笑话，国有两个体育项目大家根本不用看，也不用担心。一个是乒乓球，一个是男足。前者是“谁也赢不了！”，后者是“谁也赢不了！”

🎭函数重载概念
函数重载：是函数的一种特殊情况，C++允许在同一作用域中声明几个功能类似的同名函数，这些同名函数的形参列表(参数个数或类型或类型顺序)不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

参数类型不同
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参数个数不同
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参数类型顺序不同

🎭 C++支持函数重载的原理–名字修饰(name Mangling)

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？

在C/C++中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。
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实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时，编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。那么怎么办呢？

所以链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起。

那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。

由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。

通过下面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】。

Linux 下名字修饰规则

结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。
在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息

Windows下名字修饰规则

对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的，我们就不再做细致的研究了。
【扩展学习：C/C++函数调用约定和名字修饰规则–有兴趣好奇的友友可以看看，里面有对vs下函数名修饰规则讲解】

通过这里就理解了C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载。

如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办法区分。

🎭extern “C”
由于C和C++编译器对函数名字修饰规则的不同，在有些场景下可能就会出问题，比如：

C++中调用C语言实现的静态库或者动态库，反之亦然

多人协同开发时，有些人擅长用C语言，有些人擅长用C++在这种混合模式下开发，由于C和C++编译器对函数名字修饰规则不同，可能就会导致链接失败，在该种场景下，就需要使用extern"C"。在函数前加extern “C”，意思是告诉编译器，将该函数按照C语言规则来编译。

🐾引用

🎭引用概念
引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取了一个别名，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。
比如说：孙悟空有许多别名：石猴、美猴王、孙行者、斗战神佛、弼马温、齐天大圣、悟空。虽然他有这么多名字，但是每个名字都是指孙悟空，都是他的别称

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
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注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

🎭引用特性

引用在定义时必须初始化

一个变量可以有多个引用

引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

引用可以权限缩小和平移，不能权限放大，引用必须类型匹配

🎭常引用
🎭使用场景

做参数

//交换函数
void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

引用做参数类似于传指针

做返回值

int& Func()
{
	static int a = 10;
	//...
	return a
}

下面是错误引用

int& Add(int a, int b)
{
 int c = a + b;
 return c;
}

int main()
{
 int& ret = Add(1, 2);
 Add(3, 4);
 cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
 return 0;
}

运行结果
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底层分析原因：

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，则可以使用引用返回，
如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

🎭传值、传引用效率比较

以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

值和引用的作为函数参数类型的性能比较

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue()
{
 A a;
 // 以值作为函数参数
 size_t begin1 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc1(a);
 size_t end1 = clock();
 // 以引用作为函数参数
 size_t begin2 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc2(a);
 size_t end2 = clock();
 // 分别计算两个函数运行结束后的时间
 cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
 cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

运行结果：
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值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a;}
// 引用返回
A& TestFunc2(){ return a;}
void TestReturnByRefOrValue()
{
 // 以值作为函数的返回值类型
 size_t begin1 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
 TestFunc1();
 size_t end1 = clock();
 // 以引用作为函数的返回值类型
 size_t begin2 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
 TestFunc2();
 size_t end2 = clock();
 // 计算两个函数运算完成之后的时间
 cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
 cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

运行结果：
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通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大

🎭引用和指针的区别

在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：
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引用和指针的不同点:

引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。

引用在定义时必须初始化，指针没有要求

引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体

没有NULL引用，但有NULL指针

在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占4个字节)

引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小

有多级指针，但是没有多级引用

访问实体方式不同，指针需要显式解引用，引用编译器自己处理

引用比指针使用起来相对更安全

🐾内联函数

🎭概念
以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。
🎭特性

inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。

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🐾auto（C++11）

🎭类型别名思考

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

类型难于拼写
含义不明确导致容易出错

C++学到后面会学到std::map<std::string, std::string>::iterator ，这是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。但是大佬可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：
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在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

🎭auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？
C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。
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注意：使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

🎭auto使用细则

1. auto与指针和引用结合起来使用
随风潜入夜
用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&
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2. 在同一行定义多个变量
当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。
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🎭auto不能使用的场景
1. auto不能作为函数的参数

2. auto不能直接用来声明数组

3. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

🐾基于范围的for循环（C++11）

🎭范围for的语法
在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

void TestFor()
{
 int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
 for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
 	array[i] *= 2;
 for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
 	cout << *p << endl;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for(auto& e : array)
		e *= 2;
	for(auto e : array)
		cout << e << " ";
	return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

🎭范围for的使用条件
1. for循环迭代的范围必须是确定的
对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

以下代码就有问题，因为for的范围不确定

oid TestFor(int array[])
{
	for(auto& e : array)
		cout<< e <<endl;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器，这个是后面的知识，现在提一下，没办法讲清楚，目前大家了解一下就可以了。如想具体了解可看这篇博客<C++迭代器（iterator）>)

🐾指针空值–nullptr（C++11）

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void Test()
{
	int* p1 = NULL;
	int* p2 = 0;
}

NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

void func(int)
{
	cout<<"func(int)"<<endl;
}
void func(int*)
{
	cout<<"func(int*)"<<endl;
}
int main()
{
	func(0);
	func(NULL);
	func((int*)NULL);
	return 0;
}
//程序本意是想通过func(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

运行结果如下：
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在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void)常量*，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意：

在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

✨类和对象（上）

🐾面向过程和面向对象初步认识

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。
例：人把大象关进冰箱。
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面向过程的分析过程：
第一步：把冰箱门打开；
第二步：将大象放进冰箱；
第三步：把冰箱门关闭；

面向对象的分析过程：
第一步：分析动作是由那些实体发出的
人，冰箱，大象
第二步：定义主体，为其增加属性和功能
人，人需要有打开关闭冰箱，及将大象放入冰箱的功能；
冰箱，冰箱需要具有能开门和关门的属性；
大象，大象需要具有能够进入冰箱的功能

🐾类的引入

C语言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。比如：之前在数据结构初阶中，用C语言方式实现的栈，结构体中只能定义变量。现在以C++方式实现，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)
 	{
 		//...
 	}
 	void Pop()
	{
		//...
	}
 	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;
};

上面结构体的定义，struct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
};// 和结构体一样，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（包含成员函数和成员变量。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。），注意类定义结束时后面分号不能省略。

类的两种定义方式：
1. 声明和定义全部放在类体中。（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）

2. 声明与定义分离（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 ClassName::）
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成员变量命名规则的建议：

在每个成员变量前英加一个符号或字母（一般加_），以便区分（具体应该加什么，平常自己决定，工作时主要看单位和公司的习惯）

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🐾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

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【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(此处protected和private是类似的)

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)

ps：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

封装

面向对象的三大特性：封装、继承、多态。

我们在类和对象阶段，主要是研究类的封装特性

封装的概念：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，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。
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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，控制方法可以在类外部直接被使用。

🐾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。在类体外定义成员时，需要使用 :: 作用域操作符指明成员属于哪个类域。
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🐾类的实例化

用一种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。
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
类是没有空间的，只有类实例化出的对象才有具体的年龄。

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，做出设计图只是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

🐾类的对象大小的计算

类对象的存储方式猜测

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问题：对于上述三种存储方式，那计算机到底是按照那种方式来存储的？

结论：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。

结构体内存对齐规则

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。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

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。

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。

本篇博客到此就结束了，本博客略长，感谢能够坚持到这，下篇博客再见！！！

最后再来一张美图，放松一下疲惫的眼睛
是心动的感觉

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