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0.前言
1.面向过程面向对象
1.1面向过程编程#xff08;PP#xff09;
1.2面向对象编程#xff08;OOP#xff09;
1.3从C到C
2.类的引入
2.1C语言中的结构体
2.2C中类的引入
2.3结构体与类的区别
2.4为什么引入类
3.类的定义
3.1声明与定义不分离
…目录
0.前言
1.面向过程面向对象
1.1面向过程编程PP
1.2面向对象编程OOP
1.3从C到C
2.类的引入
2.1C语言中的结构体
2.2C中类的引入
2.3结构体与类的区别
2.4为什么引入类
3.类的定义
3.1声明与定义不分离
3.2声明与定义分离
3.3如何选择
4.类的访问限定符与封装
4.1访问限定符
4.2封装
5.类的作用域
6.类的实例化
6.1概念
6.2实例化方式
7.类成员的储存
7.1计算类对象的大小
7.2类对象的储存方式
7.2.1成员变量的储存
7.2.2成员函数的储存
7.3类/结构体内存对齐
7.3.1内存对齐的基本规则
8.this指针
8.1概述
8.2为什么引入this指针
8.3this指针的特性
9.小结 图像由AI生成
0.前言
在计算机编程的世界里语言的演进是为了更好地适应开发的需要提高软件的质量和开发效率。C作为一种高效的编程语言它在C语言的基础上增加了面向对象的特性。这篇博客将带你了解C中类和对象的基础知识为你打开面向对象编程的大门。
1.面向过程面向对象
当我们从学习C语言转向学习C时我们实际上是在从面向过程编程Procedural Programming, PP迈向面向对象编程Object-Oriented Programming, OOP。这两种编程范式在处理复杂性、代码组织和重用方面有着根本的不同。
1.1面向过程编程PP
面向过程编程是一种以过程函数为中心的编程范式强调的是“做什么”和“如何做”。在C语言中程序被视为一系列的函数调用。数据和函数是分开的数据定义在函数外部而函数则操作这些数据。这种方式在处理简单任务时非常有效因为它允许程序员以线性方式思考问题。
优点对于小型程序和简单问题面向过程的方法可以快速地提供解决方案因为它允许直接操作数据和使用简单的逻辑。缺点随着程序的增长面向过程的代码可能变得难以维护和扩展。全局数据的使用可能导致数据被错误地修改而代码的重用也变得更加困难。
1.2面向对象编程OOP
面向对象编程则是一种以对象为中心的编程范式强调“是什么”和“能做什么”。在C中对象是数据和操作这些数据的函数称为方法的封装体。OOP通过封装Encapsulation、继承Inheritance和多态性Polymorphism来增加代码的重用性、灵活性和可维护性。 封装封装是将数据属性和操作数据的代码方法捆绑在一起的过程这样可以隐藏对象的实际实现细节仅通过定义好的接口与对象交互。 继承继承允许我们定义一个基类父类的属性和方法然后通过派生更具体的子类来扩展或修改这些功能。这促进了代码的重用和扩展性。 多态性多态性是指允许我们用一个统一的接口来操作不同类型的对象具体操作依赖于对象的实际类型。这使得我们可以编写更通用和灵活的代码。 优点OOP使得程序更易于理解、维护和扩展。通过对象的封装可以更好地管理和保护数据。继承和多态性进一步提高了代码的重用性和灵活性。 缺点面向对象的设计和实现通常比面向过程更复杂可能需要更多的时间来学习和掌握。对于一些简单的问题使用OOP可能会导致过度设计。
1.3从C到C
当我们从C语言转向C学习时实际上是在学习如何以一种更抽象的方式思考问题。我们需要开始考虑如何将问题域内的概念建模为对象这些对象如何相互交互以及如何通过继承和多态性来组织和简化代码。尽管这种转变最初可能会挑战我们的思维习惯但随着时间的推移我们将发现面向对象的方法能够更自然地映射复杂的问题和现实世界的结构。
2.类的引入
在理解C类的引入之前我们首先要看看C语言中的结构体struct因为它为类的概念奠定了基础。
2.1C语言中的结构体
C语言允许我们通过结构体来定义和组织不同类型的数据。结构体是一种复合数据类型它使得我们能够将多个不同类型的变量组合成一个单一的单位。例如如果我们想要存储一个人的信息包括名字、年龄和身高我们可以这样定义一个结构体
struct Person {char name[50];int age;float height;
};结构体帮助我们在C语言中实现了数据的初步“封装”但它的功能还是相对有限。结构体主要用于数据的存储而对于数据的操作则仍然依赖于外部的函数。
2.2C中类的引入
C在结构体的基础上引入了类class这是面向对象编程的核心。类不仅包括数据成员即属性还包括成员函数即方法这使得数据和操作数据的逻辑能够被封装在一起。这种封装性是OOP的一个重要特性它提高了代码的复用性和可维护性。
使用C类我们可以这样重写上面的例子
class Person {
public:char name[50];int age;float height;void printInfo() {std::cout Name: name , Age: age , Height: height std::endl;}
};在这个类的定义中printInfo是一个成员函数它与结构体内部的数据紧密相关可以直接访问和操作这些数据。与C语言的结构体相比C的类提供了更高级的数据抽象和封装能力。
2.3结构体与类的区别
在C中结构体和类非常相似事实上它们之间的主要区别在于默认的访问权限类的成员默认是private的而结构体的成员默认是public的。这意味着除非显式指定否则类的数据成员和成员函数在类的外部是不可访问的这强化了封装性。
2.4为什么引入类
引入类的目的是为了更好地支持抽象和封装这是面向对象编程的核心概念之一。通过将数据和操作数据的逻辑捆绑在一起类使得开发者能够创建更加复杂和高级的数据结构这些数据结构不仅能够存储数据还能够定义与数据相关的操作。这种方式大大提高了代码的重用性和可维护性是从结构化编程向面向对象编程转变的一个重要步骤。
3.类的定义
在C中定义类是建立对象模板的基础步骤涉及到成员变量属性和成员函数方法的声明及定义。C提供两种主流的类定义方法声明与定义不分离与声明与定义分离。
3.1声明与定义不分离
这种方法将类的声明和定义放置在同一位置通常适用于简单的类定义。在这个方法中类的成员函数直接在类定义内部实现。例如
class Box {
public:double length; // 长度double width; // 宽度double height; // 高度double getVolume() {return length * width * height; // 计算体积}
};这里Box类直接在其声明中定义了getVolume函数。
3.2声明与定义分离
对于更复杂的类通常采用声明与定义分离的方式。这种方法将类的声明包含成员变量和成员函数原型放在头文件中而将成员函数的具体实现放在源文件中。这样做的好处包括提高代码的可维护性和编译效率。
头文件Box.h 和 源文件Box.cpp 示例
// Box.h
#ifndef BOX_H
#define BOX_Hclass Box {
public:double length;double width;double height;double getVolume(); // 成员函数声明
};#endif// Box.cpp
#include Box.hdouble Box::getVolume() {return length * width * height; // 成员函数定义
}在头文件Box.h中我们声明了Box类和getVolume函数的原型。在源文件Box.cpp中我们定义了getVolume函数的具体实现。
3.3如何选择
简单类或模板类倾向于使用声明与定义不分离的方法因为这简化了代码结构减少了文件数量。复杂类或大型项目推荐声明与定义分离的方法。这种方式不仅能提高编译效率只有在类实现改变时才需要重新编译源文件还有助于隐藏实现细节提升代码的模块化和可维护性。
4.类的访问限定符与封装
在C中类的封装是通过访问限定符来实现的它们定义了类成员的访问范围和权限。封装不仅能保护对象的状态不被外部随意访问还能通过定义良好的接口与外界交互是面向对象编程中的一个核心概念。
4.1访问限定符
C中主要有三种访问限定符public、private和protected它们各自的含义如下
public公有成员在任何地方都能被访问。private私有成员只能被其所在类的成员函数访问。protected受保护成员可以被其所在类以及所有子类的成员函数访问。
使用这些访问限定符可以精确控制类成员的访问权限防止外部代码直接访问内部状态或执行不应该被外部调用的操作。
class Box {
private:double width; // 宽度私有成员public:double length; // 长度公有成员void setWidth(double wid); // 公有成员函数double getWidth(void); // 公有成员函数
};void Box::setWidth(double wid) {width wid; // 私有成员只能在类内部访问
}double Box::getWidth(void) {return width; // 私有成员只能在类内部访问
}在这个例子中width是一个私有成员它只能通过类的公有成员函数setWidth和getWidth来访问和修改。这就是封装的体现通过公有接口暴露必要的操作而将实现细节隐藏起来。
4.2封装
封装是面向对象编程中用于限制对对象成员的直接访问的一种机制。它有以下几个重要作用
保护数据通过将数据成员设置为私有可以防止外部代码直接修改对象的内部状态从而避免数据的不一致或损坏。简化接口通过公有成员函数提供操作数据的方法可以简化对象的使用使外部代码不需要了解对象内部的复杂逻辑就能使用该对象。增强可维护性封装使得对象的内部实现可以独立于外部代码变化只要公有接口保持不变就可以自由改变内部实现而不影响使用该对象的代码。
5.类的作用域
在C中类的作用域是一个重要概念它定义了名称比如变量名、函数名的可见性和生命周期。理解类的作用域对于正确地编写和维护C程序至关重要。
基本规则
类内作用域定义在类内部的成员包括数据成员和成员函数在整个类内部都是可见的。这意味着类的任何成员函数都可以访问该类的所有成员无论这些成员定义在函数之前还是之后。类外作用域类的成员在类外默认是不可见的除非这些成员被声明为public。访问控制符public、private和protected决定了类成员在类外的可见性。
示例代码
#include iostreamclass MyClass {
private:int a 1; // 私有成员变量只能在类内部访问public:int b 2; // 公有成员变量可以在类外部访问void display() {std::cout 私有成员a的值: a std::endl; // 类内部访问私有成员std::cout 公有成员b的值: b std::endl; // 类内部访问公有成员}
};int main() {MyClass obj;// std::cout obj.a std::endl; // 错误a是私有的std::cout 通过类外访问公有成员b的值: obj.b std::endl; // 类外部访问公有成员obj.display(); // 调用公有成员函数它可以访问私有和公有成员return 0;
}类的作用域不仅定义了成员的可见性和访问权限还影响着代码的组织和结构。合理利用类的作用域可以提高代码的可读性和维护性避免命名冲突并保护数据不被非法访问。
6.类的实例化
在C中类实例化是指根据类模板创建对象的过程。类本身像是一个蓝图描述了对象的结构和行为但直到我们创建了类的实例即对象这些描述才具有实际意义。
6.1概念
当我们实例化一个类时实际上是在内存中分配了一块区域来存储该类的数据成员并根据类定义初始化这些数据。这个过程可以通过调用类的构造函数来完成构造函数是一种特殊的成员函数专门用于初始化新创建的对象。
6.2实例化方式
C提供了多种实例化类的方式但最基本的两种是 在栈上实例化这是最简单的创建对象的方式类似于基本数据类型的声明。例如如果有一个MyClass类我们可以简单地通过MyClass obj;来在栈上创建一个MyClass类型的对象obj。这种方式创建的对象会在离开其作用域时自动被销毁。 在堆上实例化通过使用new操作符在堆上动态分配内存来创建对象。例如MyClass* obj new MyClass();创建了一个指向MyClass类型的新对象的指针obj。使用这种方式创建的对象不会自动销毁需要手动使用delete操作符来释放内存。
简单示例代码
class MyClass {
public:MyClass() {} // 构造函数
};int main() {MyClass obj; // 在栈上实例化对象MyClass* pObj new MyClass(); // 在堆上实例化对象delete pObj; // 释放堆上对象的内存
}7.类成员的储存
7.1计算类对象的大小
类对象的大小是其所有非静态成员的大小总和但这个计算受内存对齐的规则影响。静态成员不占用类对象的存储空间因为静态成员是被类的所有实例共享的。
示例代码
#include iostreamclass MyClass {
public:char a; // 1 byteint b; // 4 bytesdouble c; // 8 bytes
};int main() {std::cout Size of MyClass: sizeof(MyClass) bytes std::endl;return 0;
}这个示例中尽管char, int, double分别占1, 4, 8字节类的总大小可能大于13字节这取决于编译器如何对成员b和c进行内存对齐。
7.2类对象的储存方式
类对象可以存储在堆或栈上。选择哪种方式取决于对象的预期使用寿命和程序设计。
栈上存储创建时简单由编译器自动管理内存。对象在其声明的作用域结束时自动销毁。堆上存储使用new关键字在堆上分配内存适用于生命周期长或大小可变的对象。需要程序员手动管理内存使用delete释放。
7.2.1成员变量的储存 非静态成员变量这些变量的存储空间直接包含在每个类对象中。也就是说每当创建一个类的实例时每个非静态成员变量都会在内存中占有一份独立的空间。这些成员的排列和大小可能受到内存对齐的影响导致类的实际占用空间可能大于各成员大小的简单累加。 静态成员变量静态成员变量不属于类的某个特定实例而是由类的所有实例共享。它们的存储在所有对象之外通常在程序的全局数据区或静态存储区。静态成员变量只有一份副本无论创建多少个类实例。
7.2.2成员函数的储存 非静态成员函数与静态成员变量不同非静态成员函数并不存储在每个对象中。相反所有对象共享同一段成员函数代码而不是在每个对象中复制一份函数代码。这意味着成员函数不会增加单个对象的大小。 静态成员函数与非静态成员函数类似静态成员函数也不存储在对象中。它们属于类本身而非类的某个实例并且可以在没有创建类实例的情况下被调用。静态成员函数同样不增加对象的大小。 虚函数当类中包含虚函数时C实现通常会在每个对象中添加一个指向虚函数表vtable的指针。虚函数表是一个包含指向类虚函数的指针的数组。这意味着含有虚函数的类的对象会比没有虚函数的类的对象大一个指针的大小。
class MyClass {
public:int data; // 非静态成员变量static int count; // 静态成员变量void display() const { // 非静态成员函数std::cout data;}static void showCount() { // 静态成员函数std::cout count;}
};int MyClass::count 0; // 静态成员变量的初始化int main() {MyClass obj;std::cout Size of object: sizeof(obj) bytes std::endl; // 显示对象大小MyClass::showCount(); // 调用静态成员函数obj.display(); // 调用非静态成员函数return 0;
}在这个示例中data是每个对象中实际占用空间的非静态成员变量而成员函数无论是静态的还是非静态的不占用对象的存储空间。静态成员变量count存储在所有对象之外并由所有对象共享。
7.3类/结构体内存对齐
内存对齐是优化数据存取效率的关键编程实践特别是在处理结构体和类时。这涉及如何在内存中布局类或结构体的成员以便符合处理器访问内存的最优方式。
7.3.1内存对齐的基本规则 对齐需求一个类型的对齐需求通常由该类型的大小决定。例如类型大小为4字节的int通常需要按4字节对齐。这意味着其地址必须是4的倍数。 结构体/类的对齐一个结构体或类的总对齐需求通常由其最大成员的对齐需求决定。结构体或类的实际对齐方式会影响其总大小因为可能在成员之间或末尾添加填充字节来满足对齐需求。 填充为满足对齐需求编译器可能在成员之间插入填充字节。填充确保每个成员都在其对齐需求指定的地址边界上开始。
示例内存对齐的影响
考虑以下结构体示例展示了如何计算大小并理解可能的内存填充。
#include iostreamstruct Sample {char a; // 1字节int b; // 4字节通常要求4字节对齐char c; // 1字节
};int main() {std::cout Size of Sample: sizeof(Sample) bytes std::endl;return 0;
}在这个结构体中尽管char和int成员的总大小是6字节1 4 1最终的结构体大小是12字节具体取决于编译器和平台的内存对齐策略。这是因为
b 要求4字节对齐因此在a后可能需要插入3字节的填充以确保b从4字节边界开始。在c后可能需要额外填充以保证整个结构体的大小为最大对齐要求的倍数在这里是4字节。
控制内存对齐
在C中可以使用特定的编译器指令或属性来控制内存对齐。例如GCC和Clang支持__attribute__((aligned(x)))而MSVC支持__declspec(align(x))用来指定变量或结构体成员的最小对齐。
struct __attribute__((aligned(8))) AlignedSample {char a;int b;char c;
};在这个例子中AlignedSample的每个实例都将按照至少8字节的边界对齐。这样的手动对齐可以帮助提高内存访问效率尤其是在频繁访问数据时但也可能导致内存使用效率降低。
8.this指针
在C中this指针是一个特殊的指针它在每个非静态成员函数中隐含地存在。这个指针指向调用该成员函数的对象的地址。理解this指针的作用和特性对于编写面向对象的C代码非常重要。
8.1概述
this指针是每个类的非静态成员函数的隐含参数由编译器自动提供。它用于指向调用成员函数的对象。由于每个对象的非静态成员函数访问的是相同的代码this指针提供了一种方法来解析对象特定的数据。
8.2为什么引入this指针
this指针的引入主要是为了解决以下几个问题 区分同名成员和局部变量在成员函数内部可能会有与类的成员变量同名的局部变量。this指针可以用来区分这些变量。通过this-成员名可以明确指出访问的是成员变量而非局部变量。 实现链式调用通过在成员函数中返回*this可以实现对同一个对象的连续操作。这样的方法常用于设计流畅接口Fluent Interface和方法链。 返回对象自身的引用在某些需要返回调用对象自身的成员函数中this指针使得函数能返回当前对象的引用。
8.3this指针的特性
this指针具有以下特性 只能在类的非静态成员函数中使用静态成员函数不与特定的对象关联因此不能使用this指针。 是一个常量指针this指针本身不能被修改。它始终指向调用对象。 类型在一个类T的成员函数中this指针的类型是T* const即一个指向T类型的常量指针。这意味着你不能改变this指针的指向即this本身是常量但可以修改this指向的对象的成员。 本质上是“成员函数”的形参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。 不需要用户传递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。
class MyClass {
public:int value;// 使用this指针区分成员变量和参数void setValue(int value) {this-value value; // 明确指定访问成员变量value}// 返回对象自身的引用实现链式调用MyClass setValueAndReturnSelf(int value) {this-value value;return *this;}
};int main() {MyClass obj;obj.setValue(5);obj.setValueAndReturnSelf(10).setValue(15); // 链式调用示例
}9.小结
在本博客中我们深入探讨了C中类和对象的基本概念。从面向对象的引入、类的定义、访问限定符和封装到类的实例化、成员存储、内存对齐以及this指针的作用和特性每一部分都是理解和运用C面向对象编程的关键。这些基础知识不仅帮助我们更好地组织代码提高程序的可读性和维护性还是构建复杂系统时不可或缺的工具。C 类和对象二不见不散
