C++類和對象進階 —— 與數據結構的結合

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🔍系列專欄：C++面向對象（類和對象篇）

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文章目錄

@[toc]

C++類和對象（上）
一、類的定義
1.1類定義格式
1.2兼容結構體

二、實例化
2.1實例化概念
2.2對象大小
2.3內存對齊

三、this指針
3.1常量指針與指針常量
3.2面試真題
3.3淺識寄存器 esp/ebp

四、C++與C語言實現Stack對比

C++類和對象（上）

一、類的定義

1.1類定義格式

class 為定義類的關鍵字，以棧為例：Stack 為類的名字，{} 中為類的主體，注意類定義結束時后?分號不能省略。類體中內容稱為類的成員：類中的變量稱為類的屬性或成員變量；類中的函數稱為類的方法或者成員函數
為了區分成員變量，?般習慣上成員變量會加?個特殊標識，如成員變量前?或者后?加 _ 或者 m 開頭，注意 C++ 中這個并不是強制的，只是?些慣例，具體看公司的要求
定義在類中的成員函數默認為 inline（內聯）

#include<iostream>
using namespace std;
#include<cassert>typedef int STDataType;
class Stack
{
public://成員函數//1、對棧初始化void StackInit(int n = 4){array = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (array == nullptr){perror("malloc fail！");exit(1);}capacity = 4;top = 0;}//2、入棧操作void StackPush(STDataType x){//增容操作if (top == capacity){int newCapacity = capacity == 0 ? 4 : 2 * capacity;STDataRtpe* temp = (STDataType*)realloc(array, newCapacity * sizeof(STDataType));if (temp == nullptr){perror("realloc fail!");exit(1);}array = temp;capacity = newCapacity;}array[top++] = x;}//3、檢擦棧頂元素STDataRtpe StackTop(){assert(!StackEmpty());return array[top - 1];}//4、判空操作bool StackEmpty(){return top == 0;}//5、出棧操作void StackPop(){assert(!StackEmpty());/*斷言：條件為ture，程序繼續執行條件為false,程序停止運行*/top--;}//6、銷毀棧void StackDestroy(){if(array)free(array);array = nullptr;top = capacity = 0;}private://成員變量（多個變量的符合）STDataType* array;size_t capacity;size_t top;
};int main()
{Stack st;st.StackInit();return 0;
}

? 數據結構 ** 中的棧數據寫在 結構體中 ，棧操作實現方法在 結構體外，而在類中將數據（成員變量）與實現方法（成員函數）統一寫在類內**

1.2兼容結構體

C++ 中 struct 也可以定義類，C++ 兼容C中 struct 的?法，同時 struct 升級成了類，明顯的變化是 struct 中可以定義函數，?般情況下我們還是推薦? class 定義類
在 C++ 中，struct 的結構體成員默認持有公共權限 public，而 class 的成員對象默認持有私有權限 private

以鏈表為例：

/*C++ 將 struct 升級為了類1、結構體類中可以定義函數2、struct 名稱就可以代表數據類型
*///C++兼容 C 中 struct 的用法
typedef int LTDataType;typedef struct ListNodeC
{LTDataType val;struct ListNodeC* next;//不可以直接在結構體中 ListNodeC* next;}LTNode;//不需要 typedef 修飾，結構體名 ListNodeCPP 就是數據類型
struct ListNodeCPP
{//不僅可以定義變量，也可定義函數void LTInit(LTDataType x){val = x;next = nullptr;}private:LTDataType val;ListNodeCPP* next;
};int main()
{LTNode* node1 = NULL;struct ListNodeC* node2 = NULL;ListNodeCPP* node = nullptr;node->LTInit(1);return 0;
}

本質上：

結構體是數據的集合
類是數據和方法的集合

二、實例化

2.1實例化概念

?類類型在物理內存中創建對象的過程，稱為類實例化出對象
類是對象進行的?種抽象描述，是?個模型?樣的東西，限定了類有哪些成員變量，這些成員變量只是聲明，沒有分配空間，?類實例化出對象時，才會分配空間
?個類可以實例化出多個對象，實例化出的對象占?實際的物理空間，存儲類成員變量。打個? ?：類實例化出對象就像現實中使?建筑設計圖建造出房?，類就像是設計圖，設計圖規劃了有多少個房間，房間??功能等，但是并沒有實體的建筑存在，也不能住?，?設計圖修建出房?，房 ?才能住?。同樣類就像設計圖?樣，不能存儲數據，實例化出的對象分配物理內存存儲數據

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class Date
{
public:void Init(int year, int month, int day){this->year = year;this->month = month;this->day = day;}private://成員變量是類中的聲明（沒有開辟任何空間）int year;int month;int day;
};
int main()
{//通過類所實例化出的對象為成員變量開辟空間Date d1, d2;return 0;
}

2.2對象大小

實例對象中，只存儲成員變量地址，不存儲成員函數地址

? 分析?下類對象中哪些成員呢？類實例化出的每個對象，都有獨?的數據空間，所以對象中肯定包含成員變量，那么成員函數是否包含呢？

? ?先 函數被編譯后是?段指令，在實例對象中沒辦法存儲，這些指令存儲在?個單獨的區域(代碼段)，那么實例對象中?要存儲的話，只能通過 成員函數的指針。

? 再分析?下，實例對象中是否有存儲指針的必要呢，Date 實例化 d1 和 d2兩個對象，d1 和 d2 都有各?獨?的成員變量 year/_month/_day 存儲各?的數據，但是 d1 和 d2 的成員函數 Init/Print 指針卻是?樣的，存儲在對象中就浪費了。

class Date
{
public:void Init(int year, int month, int day){this->year = year;this->month = month;this->day = day;}private://成員變量是類中的聲明（沒有開辟任何空間）int year;int month;int day;
};
int main()
{//通過類所實例化出的對象為成員變量開辟空間Date d1, d2;cout << sizeof(Date) << endl;cout << sizeof(d1) << endl;return 0;
}

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匯編角度：函數調用，被定義結束后是一串指令，這串指令會存儲到一個單獨的區域（常量區，在操作系統的角度上：也稱代碼段）

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? 成員變量需要獨立的空間存放各種來自外界傳入的值

C++//通過不同實例對象調用的 year 需要不同空間存儲獨立的值（本質：存儲地址不同）d1.year++;d2.year++;//成員函數 Print，所有對象共享同一份函數代碼，而非單獨存儲在某一個對象上d1.Print();d2.Print();

? 如果? Date 實例化100個對象，那么 成員函數指針 就重復存儲100次，太浪費了。這?需要再額外哆嗦?下，其實 函數指針 是不需要存儲的，函數指針是?個地址，調?函數被編譯成匯編指令[call 地址]，其實編譯器在編譯鏈接時，就要找到函數的地址，不是在運?時找， 只有動態多態是在運?時找，就需要存儲函數地址，這個我們以后會講解

函數在本文件中有定義 - 編譯階段確定函數地址
函數定義在外文件 - 鏈接階段確定函數

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上面我們分析了 實例對象只存儲成員變量，C++ 規定類實例化的對象也要符合 **內存對齊 **的規則

2.3內存對齊

設計思路：以空間換時間，每個對象從對齊數的位置開始存放

第?個成員在與結構體偏移量為 0 的地址處
其他成員變量要對?到某個數字（對?數）的整數倍的地址處
注意：對?數=編譯器默認的?個對?數與該成員??的較?值
VS中默認的對?數為 8
結構體總??為：最?對?數（所有變量類型最?者與默認對?參數取最?）的整數倍
如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對?到??的最?對?數的整數倍處，結構體的整體?? 就是所有最?對?數（含嵌套結構體的對?數）的整數倍

class A
{
public:void Print(){cout << _ch << endl;}
private:char _ch;int _i;
};
class B
{
public:void Print(){//...}
};
class C
{ };
int main()
{cout << sizeof(A) << endl;//8cout << sizeof(B) << endl;//1cout << sizeof(C) << endl;//1return 0;
}

上?的程序運?后，我們看到沒有成員變量的B和C類對象的??是 1，為什么沒有成員變量還要給1個字節呢？因為如果?個字節都不給，怎么表?對象存在過呢！所以這?給1字節，純粹是為了 占位標識對象存在

面試經典問題：為什么需要內存對齊？

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三、this指針

Date 類中有 Init 與 Print 兩個成員函數，函數體中沒有關于不同對象的區分，那當 d1 調? Init 和 Print 函數時，該函數是如何知道應該訪問的是 d1 對象還是 d2 對象呢？那么這?就要看到 C++ 給了 ?個隱含的 this 指針解決這?的問題
C++ 規定不能在實參和形參的位置顯?的寫 this指針 (編譯時編譯器會處理)，但是可以在函數體內顯 ?使? this指針

class Date
{
public:void Init(int year, int month, int day){this->year = year;this->month = month;this->day = day;}void Print(){cout << year << "/" << month << "/" << day << endl;}private:int year;int month;int day;
};
int main()
{Date d1, d2;d1.Init(2025, 5, 1);d2.Init(2025, 5, 2);d1.Print();d2.Print();return 0;
}

思考：d1、d2 調用的是同一個 Print，執行的是同一個函數，參數相同，那為什么輸出的值不同？

我們先前調用同一個函數，執行出的結果不同，是因為我們傳入了不同的參數

編譯階段，編譯器為我們處理隱藏過程。實際上，我們調用同一個函數 Print() 執行出了不同結果，還是因為我們傳入了不同參數

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同樣地，

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this 本身無法被修改：this = nullptr（false）

3.1常量指針與指針常量

常量指針與指向常量的指針

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驗證 this 指針指向 d1/d2對象地址：
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3.2面試真題

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答案：

? 正常運行

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Print() 編譯時確定地址，不存在 對空指針進行解引用的行為

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對象 p 的作用：

搜查、核對成員函數的出處
指針所指向的對象（或對象）傳遞 this指針

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編譯錯誤：語法問題，因此對于空指針的解引用（運行錯誤）一定不會觸及語法編譯的問題
鏈接錯誤：語法規則符合，但存在函數或變量只聲明，未定義行為
運行錯誤：行為/功能錯誤

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答案：

? 運行崩潰

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(*p).Print(); 同理

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解決方法：使指針p 指向一個有效對象

C++A aa;A* p = &aa;//或 A* p = new A();

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? 常量區（語言層面） - 代碼段（或叫數據段 - 操作系統角度）（函數被編譯成指令后，存儲在常量區）

? 代碼段：將函數編譯好的代碼指令（因此代碼指令存儲在常量區/代碼段）

? this指針 所存放的區域中，this指針 存放在對象中這一選項或許會有些許疑慮，但很簡單，如果其存放在對象中，那么 sizoef(指針) == 4;這就與我們前面提到的 sizeof(p)（或sizeof(Person)）== 1; 背道而馳了，因此，可論證： this指針并不存儲在實例對象中

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this指針是形式參數，嚴格一點是存儲在 棧和寄存器 上

3.3淺識寄存器 esp/ebp

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四、C++與C語言實現Stack對比

?向對象三?特性：封裝、繼承、多態，下?的對?我們可以初步了解?下封裝。通過下?兩份代碼對?，我們發現 C++ 實現 Stack 形態上還是發?了挺多的變化，底層和邏輯上沒啥變化

以棧為例，C++ 對棧的各項操作進行了嚴格封裝（減少了 C語言 多樣化，但易錯誤的代碼形態），而 C語言 則更依賴于程序員應對形式多樣化代碼能力的素質

CSTack st;//訪問棧頂元素，方式一（直接調用函數 - 推薦）：st.STop();//方式二：st.arr[st.top - 1];方式二：存在一定的不安全性，比如數組越界、0 - 1 == -1 等情況

C++ 中數據和函數都放到了類??，通過 訪問限定符 進?了限制，不能再隨意通過對象直接修改數據，這是 C++封裝 的?種體現，這個是最重要的變化。這?的 封裝的本質是?種更嚴格規范的管理，避免出現亂訪問修改的問題 。當然封裝不僅僅是這樣的，我們后?還需要不斷的去學習
C++ 中有?些相對?便的語法，?如 Init 給的缺省參數會?便很多，成員函數每次不需要傳對象地址，因為 this指針 隱含的傳遞了，?便了很多，使?類型不再需要 typedef ?類名就很?便