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C++类和对象进阶 —— 与数据结构的结合

2025/5/13 17:40:18 来源：https://blog.csdn.net/2401_87692970/article/details/147749689  浏览:  次   关键词：C++类和对象进阶 —— 与数据结构的结合

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🔍系列专栏：C++面向对象（类和对象篇）

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文章目录

    • @[toc]
  • C++类和对象（上）
    • 一、类的定义
      • 1.1类定义格式
      • 1.2兼容结构体
    • 二、实例化
      • 2.1实例化概念
      • 2.2对象大小
      • 2.3内存对齐
    • 三、this指针
      • 3.1常量指针与指针常量
      • 3.2面试真题
      • 3.3浅识寄存器 esp/ebp
    • 四、C++与C语言实现Stack对比

C++类和对象（上）

一、类的定义

1.1类定义格式

  • class 为定义类的关键字，以栈为例：Stack 为类的名字，{} 中为类的主体，注意类定义结束时后⾯分号不能省略。类体中内容称为类的成员：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

  • 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量会加⼀个特殊标识，如成员变量前⾯或者后⾯加 _ 或者 m 开头，注意 C++ 中这个并不是强制的，只是⼀些惯例，具体看公司的要求

  • 定义在类中的成员函数默认为 inline（内联）

#include<iostream>
using namespace std;
#include<cassert>typedef int STDataType;
class Stack
{
public://成员函数//1、对栈初始化void StackInit(int n = 4){array = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (array == nullptr){perror("malloc fail！");exit(1);}capacity = 4;top = 0;}//2、入栈操作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、检擦栈顶元素STDataRtpe StackTop(){assert(!StackEmpty());return array[top - 1];}//4、判空操作bool StackEmpty(){return top == 0;}//5、出栈操作void StackPop(){assert(!StackEmpty());/*断言：条件为ture，程序继续执行条件为false,程序停止运行*/top--;}//6、销毁栈void StackDestroy(){if(array)free(array);array = nullptr;top = capacity = 0;}private://成员变量（多个变量的符合）STDataType* array;size_t capacity;size_t top;
};int main()
{Stack st;st.StackInit();return 0;
}

​ 数据结构 ** 中的栈数据写在 结构体中 ，栈操作实现方法在 结构体外，而在类中将数据（成员变量）与实现方法（成员函数）统一写在类内**

1.2兼容结构体

  • C++ 中 struct 也可以定义类，C++ 兼容C中 struct 的⽤法，同时 struct 升级成了类，明显的变化是 struct 中可以定义函数，⼀般情况下我们还是推荐⽤ class 定义类
  • 在 C++ 中，struct 的结构体成员默认持有公共权限 public，而 class 的成员对象默认持有私有权限 private

以链表为例：

/*C++ 将 struct 升级为了类1、结构体类中可以定义函数2、struct 名称就可以代表数据类型
*///C++兼容 C 中 struct 的用法
typedef int LTDataType;typedef struct ListNodeC
{LTDataType val;struct ListNodeC* next;//不可以直接在结构体中 ListNodeC* next;}LTNode;//不需要 typedef 修饰，结构体名 ListNodeCPP 就是数据类型
struct ListNodeCPP
{//不仅可以定义变量，也可定义函数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;
}

本质上：

  • 结构体是数据的集合
  • 类是数据和方法的集合

二、实例化

2.1实例化概念

  • ⽤类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象

  • 类是对象进行的⼀种抽象描述，是⼀个模型⼀样的东西，限定了类有哪些成员变量，这些成员变量只 是声明，没有分配空间，⽤类实例化出对象时，才会分配空间

  • 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。打个⽐ 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，设计图规划了有多 少个房间，房间⼤⼩功能等，但是并没有实体的建筑存在，也不能住⼈，⽤设计图修建出房⼦，房 ⼦才能住⼈。同样类就像设计图⼀样，不能存储数据，实例化出的对象分配物理内存存储数据

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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://成员变量是类中的声明（没有开辟任何空间）int year;int month;int day;
};
int main()
{//通过类所实例化出的对象为成员变量开辟空间Date d1, d2;return 0;
}

2.2对象大小

  • 实例对象中，只存储成员变量地址，不存储成员函数地址

​ 分析⼀下类对象中哪些成员呢？类实例化出的每个对象，都有独⽴的数据空间，所以对象中肯定包含 成员变量，那么成员函数是否包含呢？

​ ⾸先 函数被编译后是⼀段指令，在实例对象中没办法存储，这些指令 存储在⼀个单独的区域(代码段)，那么实例对象中⾮要存储的话，只能通过 成员函数的指针。

​ 再分析⼀下，实例对象中是否有存储指针的必要呢，Date 实例化 d1 和 d2两 个对象，d1 和 d2 都有各⾃独⽴的成员变量 year/_month/_day 存储各⾃的数据，但是 d1 和 d2 的成员函数 Init/Print 指针却是⼀样的，存储在对象中就浪费了。

class Date
{
public:void Init(int year, int month, int day){this->year = year;this->month = month;this->day = day;}private://成员变量是类中的声明（没有开辟任何空间）int year;int month;int day;
};
int main()
{//通过类所实例化出的对象为成员变量开辟空间Date d1, d2;cout << sizeof(Date) << endl;cout << sizeof(d1) << endl;return 0;
}

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汇编角度：函数调用，被定义结束后是一串指令，这串指令会存储到一个单独的区域（常量区，在操作系统的角度上：也称代码段）

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​ 成员变量需要独立的空间存放各种来自外界传入的值

C++//通过不同实例对象调用的 year 需要不同空间存储独立的值（本质：存储地址不同）d1.year++;d2.year++;//成员函数 Print，所有对象共享同一份函数代码，而非单独存储在某一个对象上d1.Print();d2.Print();

​ 如果⽤ Date 实例化100个对象，那么 成员函数指针 就重复存储100次，太浪费了。这⾥需要再额外哆嗦⼀下，其实 函数指针 是不需要存储的，函数指针是⼀个地址，调⽤函数被编译成汇编指 令[call 地址]，其实编译器在编译链接时，就要找到函数的地址，不是在运⾏时找， 只有动态多态是在运⾏时找，就需要存储函数地址，这个我们以后会讲解

  • 函数在本文件中有定义 - 编译阶段确定函数地址
  • 函数定义在外文件 - 链接阶段确定函数

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上面我们分析了 实例对象只存储成员变量，C++ 规定类实例化的对象也要符合 **内存对齐 **的规则

2.3内存对齐

设计思路：以空间换时间，每个对象从对齐数的位置开始存放

  • 第⼀个成员在与结构体偏移量为 0 的地址处

  • 其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处

  • 注意：对⻬数=编译器默认的⼀个对⻬数与该成员⼤⼩的较⼩值

  • VS中默认的对⻬数为 8

  • 结构体总⼤⼩为：最⼤对⻬数（所有变量类型最⼤者与默认对⻬参数取最⼩）的整数倍

  • 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对⻬到⾃⼰的最⼤对⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩ 就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体的对⻬数）的整数倍

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;
}
  • 上⾯的程序运⾏后，我们看到没有成员变量的B和C类对象的⼤⼩是 1，为什么没有成员变量还要给1个 字节呢？因为如果⼀个字节都不给，怎么表⽰对象存在过呢！所以这⾥给1字节，纯粹是为了 占位标识 对象存在

面试经典问题：为什么需要内存对齐？

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三、this指针

  • 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 和 Print 函数时，该函数是如何知道应该访问的是 d1 对象还是 d2 对象呢？那么这⾥就要看到 C++ 给了 ⼀个隐含的 this 指针解决这⾥的问题
  • C++ 规定不能在实参和 形参 的位置显⽰的写 this指针 (编译时编译器会处理)，但是可以在函数体内显 ⽰使⽤ this指针
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 调用的是同一个 Print，执行的是同一个函数，参数相同，那为什么输出的值不同？

我们先前调用同一个函数，执行出的结果不同，是因为我们传入了不同的参数

编译阶段，编译器为我们处理隐藏过程。实际上，我们调用同一个函数 Print() 执行出了不同结果，还是因为我们传入了不同参数

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同样地，

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this 本身无法被修改：this = nullptr（false）

3.1常量指针与指针常量

  • 常量指针与指向常量的指针

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验证 this 指针指向 d1/d2对象地址：
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3.2面试真题

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答案：

​ 正常运行

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Print() 编译时确定地址，不存在 对空指针进行解引用的行为

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对象 p 的作用：

  • 搜查、核对成员函数的出处
  • 指针所指向的对象（或对象）传递 this指针

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  • 编译错误：语法问题，因此对于空指针的解引用（运行错误）一定不会触及语法编译的问题

  • 链接错误：语法规则符合，但存在函数或变量只声明，未定义行为

  • 运行错误：行为/功能错误

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答案：

​ 运行崩溃

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(*p).Print(); 同理

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解决方法：使 指针p 指向一个有效对象

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

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​ 常量区（语言层面） - 代码段（或叫数据段 - 操作系统角度）（函数被编译成指令后，存储在常量区）

​ 代码段：将函数编译好的代码指令（因此代码指令存储在常量区/代码段）

​ this指针 所存放的区域中，this指针 存放在对象中这一选项或许会有些许疑虑，但很简单，如果其存放在对象中，那么 sizoef(指针) == 4;这就与我们前面提到的 sizeof(p)（或sizeof(Person)）== 1; 背道而驰了，因此，可论证： this指针 并不存储在实例对象中

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this指针 是形式参数，严格一点是存储在 栈和寄存器 上

3.3浅识寄存器 esp/ebp

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四、C++与C语言实现Stack对比

⾯向对象三⼤特性：封装、继承、多态，下⾯的对⽐我们可以初步了解⼀下封装。 通过下⾯两份代码对⽐，我们发现 C++ 实现 Stack 形态上还是发⽣了挺多的变化，底层和逻辑上没啥变化

以栈为例，C++ 对栈的各项操作进行了严格封装（减少了 C语言 多样化，但易错误的代码形态），而 C语言 则更依赖于程序员应对形式多样化代码能力的素质

CSTack st;//访问栈顶元素，方式一（直接调用函数 - 推荐）：st.STop();//方式二：st.arr[st.top - 1];方式二：存在一定的不安全性，比如数组越界、0 - 1 == -1 等情况

  • C++ 中数据和函数都放到了类⾥⾯，通过 访问限定符 进⾏了限制，不能再随意通过对象直接修改数 据，这是 C++封装 的⼀种体现，这个是最重要的变化。这⾥的 封装 的本质是⼀种更严格规范的管理，避免出现乱访问修改的问题 。当然 封装 不仅仅是这样的，我们后⾯还需要不断的去学习

  • C++ 中有⼀些相对⽅便的语法，⽐如 Init 给的缺省参数会⽅便很多，成员函数每次不需要传对象地址，因为 this指针 隐含的传递了，⽅便了很多，使⽤类型不再需要 typedef ⽤类名就很⽅便

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🌟 各位看官好，我是工藤新一¹呀~

🌈 愿各位心中所想，终有所致！

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