从C向C++3——类和对象

一.前言

​ 类和对象是 C++的重要特性，它们使得 C++ 成为面向对象的编程语言，可以用来开发中大型项目，本节重点讲解类和对象的语法。

​ 类是创建对象的模板，一个类可以创建多个对象，每个对象都是类类型的一个变量；创建对象的过程也叫类的实例化。每个对象都是类的一个具体实例，拥有类的成员变量和成员函数。

有些教程将类的成员变量称为类的属性（Property），将类的成员函数称为类的方法（Method）。在面向对象的编程语言中，经常把函数（Function）称为方法（Method）。

​ 与结构体一样，类只是一种复杂数据类型的声明，不占用内存空间。而对象是类这种数据类型的一个变量，或者说是通过类这种数据类型创建出来的一份实实在在的数据，所以占用内存空间。

二.定义

1.最简单的类

​ 类是用户自定义的类型，如果程序中要用到类，必须提前说明，或者使用已存在的类（别人写好的类、标准库中的类等），C++语法本身并不提供现成的类的名称、结构和内容。

​ 在此之前我们或多或少的接触过这些方面的知识，直接看一个例子：

class Student{
public:
    //成员变量
    char *name;
    int age;
    float score;
    //成员函数
    void say(){
        cout<<name<<"的年龄是"<<age<<"，成绩是"<<score<<endl;
    }
};

​ class是 C++ 中新增的关键字，专门用来定义类。Student是类的名称；类名的首字母一般大写，以和其他的标识符区分开。{ }内部是类所包含的成员变量和成员函数，它们统称为类的成员（Member）；由{ }包围起来的部分有时也称为类体，和函数体的概念类似。public也是 C++ 的新增关键字，它只能用在类的定义中，表示类的成员变量或成员函数具有“公开”的访问权限，这个到后面类的继承中在细说。

注意在类定义的最后有一个分号;，它是类定义的一部分，表示类定义结束了，不能省略。

​ 整体上讲，上面的代码创建了一个 Student 类，它包含了 3 个成员变量和 1 个成员函数。

​ 类只是一个模板（Template），编译后不占用内存空间，所以在定义类时不能对成员变量进行初始化，因为没有地方存储数据。只有在创建对象以后才会给成员变量分配内存，这个时候就可以赋值了。

2.创建对象

有了 Student 类后，就可以通过它来创建对象了，例如：

Student xqs;  //创建对象

Student是类名，xqs是对象名。

在创建对象时，class 关键字可要可不要，但是出于习惯我们通常会省略掉 class 关键字：

class Student xqs;  //正确
Student xqs;  //同样正确

除了创建单个对象，还可以创建对象数组：

Student allStu[100];

该语句创建了一个allStu数组，它拥有100个元素，每个元素都是 Student 类型的对象。

3.访问类的成员

创建对象以后，可以使用点号.来访问成员变量和成员函数，这和通过结构体变量来访问它的成员类似，如下所示：

    //创建对象
    Student stu;
    stu.name = "小明";
    stu.age = 15;
    stu.score = 98.5f;
    stu.say();

4.使用对象指针

C语言中经典的指针在 C++ 中仍然广泛使用，尤其是指向对象的指针，没有它就不能实现某些功能。

上面代码中创建的对象 stu 在栈上分配内存，需要使用&获取它的地址，例如：

Student stu;
Student *pStu = &stu;

pStu 是一个指针，它指向 Student 类型的数据，也就是通过 Student 创建出来的对象。

当然，你也可以在堆上创建对象，这个时候就需要使用前面的new关键字，例如：

Student *pStu = new Student;

这个应该好理解，类比结构体指针。

有了对象指针后，可以通过箭头->来访问对象的成员变量和成员函数，这和通过结构体指针来访问它的成员类似，请看下面的示例：

pStu -> name = "小明";
pStu -> age = 15;
pStu -> score = 92.5f;
pStu -> say();

第二部分介绍了两种创建对象的方式：一种是在栈上创建，形式和定义普通变量类似；另外一种是在堆上使用 new 关键字创建，必须要用一个指针指向它，要记得 delete 掉不再使用的对象。

5.成员函数

​ 类的成员函数也和普通函数一样，都有返回值和参数列表，它与一般函数的区别是：成员函数是一个类的成员，出现在类体中，它的作用范围由类来决定；而普通函数是独立的，作用范围是全局的，或位于某个命名空间内。

​ 在类体中定义了成员函数，你也可以只在类体中声明函数，而将函数定义放在类体外面：

class Student{
public:
    //成员变量
    char *name;
    int age;
    float score;
    //成员函数
    void say();  //函数声明
};
//函数定义
void Student::say(){
    cout<<name<<"的年龄是"<<age<<"，成绩是"<<score<<endl;
}

​ 在类体中直接定义函数时，不需要在函数名前面加上类名，因为函数属于哪一个类是不言而喻的。但当成员函数定义在类外时，就必须在函数名前面加上类名予以限定。::被称为域解析符（也称作用域运算符或作用域限定符），用来连接类名和函数名，指明当前函数属于哪个类。

在类体中和类体外定义成员函数的区别：

​ 在类体中和类体外定义成员函数是有区别的：在类体中定义的成员函数会自动成为内联函数，在类体外定义的不会。当然，在类体内部定义的函数也可以加 inline 关键字，但这是多余的，因为类体内部定义的函数默认就是内联函数。

​ 内联函数一般不是我们所期望的，它会将函数调用处用函数体替代，所以我建议在类体内部对成员函数作声明，而在类体外部进行定义，这是一种良好的编程习惯，实际开发中大家也是这样做的。

如果你既希望将函数定义在类体外部，又希望它是内联函数，那么可以在定义函数时加 inline 关键字。

三.访问权限以及封装

1.访问权限

​ C++通过 public、protected、private 三个关键字来控制成员变量和成员函数的访问权限，它们分别表示公有的、受保护的、私有的，被称为成员访问限定符。所谓访问权限，就是你能不能使用该类中的成员。

C++ 中的 public、private、protected 只能修饰类的成员，不能修饰类，C++中的类没有共有私有之分。

在类的内部（定义类的代码内部），无论成员被声明为 public、protected 还是 private，都是可以互相访问的，没有访问权限的限制。

在类的外部（定义类的代码之外），只能通过对象访问成员，并且通过对象只能访问 public 属性的成员，不能访问 private、protected 属性的成员。

访问权限：

#include <iostream>
using namespace std;

//类的声明
class Student{
private:  //私有的
    char *m_name;
    int m_age;
    float m_score;

public:  //共有的
    void setname(char *name);
    void setage(int age);
    void setscore(float score);
    void show();
};

//成员函数的定义
void Student::setname(char *name){
    m_name = name;
}
void Student::setage(int age){
    m_age = age;
}
void Student::setscore(float score){
    m_score = score;
}
void Student::show(){
    cout<<m_name<<"的年龄是"<<m_age<<"，成绩是"<<m_score<<endl;
}

int main(){
    //在栈上创建对象
    Student stu;
    stu.setname("小明");
    stu.setage(15);
    stu.setscore(92.5f);
    stu.show();

    //在堆上创建对象
    Student *pstu = new Student;
    pstu -> setname("李华");
    pstu -> setage(16);
    pstu -> setscore(96);
    pstu -> show();

    return 0;
}

像这里的学生类，在main函数里我们不能在通过stu.name="小米"来直接访问它的name属性，只能通过公共的方法setname来访问。

• 成员变量大都以m_开头，这是约定成俗的写法，不是语法规定的内容。以m_开头既可以一眼看出这是成员变量，又可以和成员函数中的形参名字区分开。
• 类的声明和成员函数的定义都是类定义的一部分，在实际开发中，我们通常将类的声明放在头文件中，而将成员函数的定义放在源文件中。

以 setname() 为例，如果将成员变量m_name的名字修改为name，那么 setname() 的形参就不能再叫name了，得换成诸如name1、_name这样没有明显含义的名字，否则name=name;这样的语句就是给形参name赋值，而不是给成员变量name赋值。

2.封装

​ private 关键字的作用在于更好地隐藏类的内部实现，该向外暴露的接口（能通过对象访问的成员）都声明为 public，不希望外部知道、或者只在类内部使用的、或者对外部没有影响的成员，都建议声明为 private。

​ 根据C++软件设计规范，实际项目开发中的成员变量以及只在类内部使用的成员函数（只被成员函数调用的成员函数）都建议声明为 private，而只将允许通过对象调用的成员函数声明为 public。

​ 我们可以额外添加两个 public 属性的成员函数，一个用来设置成员变量的值，一个用来获取成员变量的值。上面的代码中，setname()、setage()、setscore() 函数就用来设置成员变量的值；如果希望获取成员变量的值，可以再添加三个函数 getname()、getage()、getscore()。

​ 给成员变量赋值的函数通常称为 set 函数，它们的名字通常以set开头，后跟成员变量的名字；读取成员变量的值的函数通常称为 get 函数，它们的名字通常以get开头，后跟成员变量的名字。

​ 这种将成员变量声明为 private、将部分成员函数声明为 public 的做法体现了类的封装性。所谓封装，是指尽量隐藏类的内部实现，只向用户提供有用的成员函数。

3.补充说明

​ 声明为 private 的成员和声明为 public 的成员的次序任意，既可以先出现 private 部分，也可以先出现 public 部分。如果既不写 private 也不写 public，就默认为 private。

​ 在一个类体中，private 和 public 可以分别出现多次。每个部分的有效范围到出现另一个访问限定符或类体结束时（最后一个右花括号）为止。但是为了使程序清晰，应该养成这样的习惯，使每一种成员访问限定符在类定义体中只出现一次。

4.内存说明

​ 类是创建对象的模板，不占用内存空间，不存在于编译后的可执行文件中；而对象是实实在在的数据，需要内存来存储。对象被创建时会在栈区或者堆区分配内存。直观的认识是，如果创建了 10 个对象，就要分别为这 10 个对象的成员变量和成员函数分配内存，如下图所示：

​ 不同对象的成员变量的值可能不同，需要单独分配内存来存储。但是不同对象的成员函数的代码是一样的，上面的内存模型保存了 10 份相同的代码片段，浪费了不少空间，可以将这些代码片段压缩成一份。事实上编译器也是这样做的，编译器会将成员变量和成员函数分开存储：分别为每个对象的成员变量分配内存，但是所有对象都共享同一段函数代码。如下图所示：

所以值得注意的是，如果用sizeof()函数来计算一个类的大小时，只计算其成员变量的大小，而不考虑其成员函数的大小，当然也存在计算机组成原理中的边界对齐问题，就业笔试题目中会遇到类似问题。

四.案例练习一

1.题目

要求：

• 设计一个立方体类（Cube），包含长m_l、宽m_w、高m_h三种成员属性
• 求出立方体的面积和体积
• 分别用全局函数和成员函数判断两个立方体是否相等

判断两个立方体相等的方法：长宽高分别对应相等。

2.代码

#include <iostream>
#include <string>
//声明命名空间std
using namespace std;

class Cube {
private:
    //成员变量
    int m_l;
    int m_w;
    int m_h;
public:
    //成员函数
      void SetCube(int length, int width, int high) {
        m_l = length;
        m_w = width;
        m_h = high;
    }
      int get_l() {
          return m_l;
    }
      int get_w() {
          return m_w;
      }
      int get_h() {
          return m_h;
      }

    int S() {          //计算面积
        return 2 * m_l * m_w + 2 * m_l * m_h + 2 * m_w * m_h;
    }

    int V() {         //计算体积
        return m_l * m_w * m_h;
    }
    //利用成员函数进行判断
    bool issamebyclass(Cube c) {
        if (m_l == c.get_l() && m_w == c.get_w() && m_h == c.get_h())
            return true;
        else
            return false;
    }
};

//利用全局函数判断是否相等
bool issame(Cube &c1, Cube &c2) {
    if (c1.get_h() == c2.get_h() && c1.get_l() == c2.get_l() && c1.get_w() == c2.get_w())
        return true;
    else
        return false;
}

int main() {
    Cube num1,num2;
    num1.SetCube(3, 3, 3);
    int s1 = num1.S();
    int v1 = num1.V();
    cout << "第一个立方体的面积为：" << s1 << "；体积为：" << v1 << endl;
    num2.SetCube(5, 4, 3);
    int s2 = num2.S();
    int v2 = num2.V();
    cout << "第二个立方体的面积为：" << s2 << "；体积为：" << v2 << endl;
    return 0;
}

本代码仅供参考，很多细节不完善。

五.案例练习二

1.题目

要求：假设在二维坐标系中，设计一个圆类和一个点类，判断一个圆和一个点的位置关系（圆内、圆外、圆上）

• 圆类包含圆心（m_x，m_y）、半径r的成员属性
• 点类包含（p_x，p_y）的成员属性
• 判断方法：计算点到圆心的距离，与半径进行比较

2.代码

#include <iostream>
#include <string>
#include "point.h"
//声明命名空间std
using namespace std;

//点类
class Point {
private:
    int p_x;
    int p_y;
public:
    void SetPoint(int x, int y) {
        p_x = x;
        p_y = y;
    }

    int get_x() {
        return p_x;
    }
    int get_y() {
        return p_y;
    }
};

class Circlu {
private:
    Point m_p;
    int m_r;
public:
    //成员函数
    void SetCirclu(Point p,int r) {
        m_p = p;
        m_r = r;
    }
    int get_r() {
        return m_r;
    }
    Point get_center() {
        return m_p;
    }
};

//判断函数
void judge(Circlu& c, Point& p) {
    int x1 = p.get_x();
    int y1 = p.get_y();
    int x2 =(c.get_center()).get_x();
    int y2 = (c.get_center()).get_y();
    int come = (x1 - x2) * (x1 - x2) + (y1 - y2) * (y1 - y2);
    int pux = c.get_r() * c.get_r();
    if (come == pux)
        cout << "点在圆上" << endl;
    else if (come > pux)
        cout << "点在圆外" << endl;
    else
        cout << "点在圆内" << endl;
}


int main() {
    Point p,q;
    p.SetPoint(10, 0);
    q.SetPoint(0, 0);
    Circlu c;
    c.SetCirclu(q, 10);
    judge(c, p);
    return 0;
}

在一个.cpp文件里确实完成了上述功能，但是在大的项目中，这样写是肯定不行的，我们需要进行多文件编程。

六.结合VS进行多文件编程

1.增加.h头文件

point.h文件：

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

//点类
class Point {
private:
    int p_x;
    int p_y;
public:
    void SetPoint(int x, int y);
    int get_x();
    int get_y();
};

2.增加类.cpp文件

point.cpp文件

#include "point.h"


    void Point::SetPoint(int x, int y) {
        p_x = x;
        p_y = y;
    }

    int Point::get_x() {
        return p_x;
    }
    int Point::get_y() {
        return p_y;
    }

3.改写main.cpp文件

main.cpp文件：

#include <iostream>
#include <string>
#include "point.h"
//声明命名空间std
using namespace std;



class Circlu {
private:
    Point m_p;
    int m_r;
public:
    //成员函数
    void SetCirclu(Point p,int r) {
        m_p = p;
        m_r = r;
    }
    int get_r() {
        return m_r;
    }
    Point get_center() {
        return m_p;
    }
};

//判断函数
void judge(Circlu& c, Point& p) {
    int x1 = p.get_x();
    int y1 = p.get_y();
    int x2 =(c.get_center()).get_x();
    int y2 = (c.get_center()).get_y();
    int come = (x1 - x2) * (x1 - x2) + (y1 - y2) * (y1 - y2);
    int pux = c.get_r() * c.get_r();
    if (come == pux)
        cout << "点在圆上" << endl;
    else if (come > pux)
        cout << "点在圆外" << endl;
    else
        cout << "点在圆内" << endl;
}


int main() {
    Point p,q;
    p.SetPoint(10, 0);
    q.SetPoint(0, 0);
    Circlu c;
    c.SetCirclu(q, 10);
    judge(c, p);
    return 0;
}

这里只是改写了Point类，我们还可以继续改写Circlu类，留作练习。