C++系列：对象和类（一）

背景

面向对象编程

首先，面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）是一种编程风格/程序设计思想/编程范式。它强调以对象（数据+方法）为中心，而不是以过程为中心（即面向过程编程）。

由此可见，从某种意义上讲，编程语言可以在不同程度上支持这种风格。即使 C 语言也可以实现这种风格，只不过实现起来难度更大、更为曲折。

C++ 就是对 OOP 特性支持的比较好的编程语言。

抽象

抽象（abstraction）是一种 OOP 特性。处理复杂问题的方法之一就是提供简单的抽象。那么，抽象究竟表示什么意思？

这里的抽象表示去除无关信息或隐藏细节信息，以减少问题复杂度的过程。

一个典型的例子是：对于老司机开车这件事，我们只需要关心速度、油量等指标（数据表示）；以及启动、换挡、踩油门、刹车、转方向盘、开闪光灯等操作过程（数据操作）。我们不需要知道发动机究竟怎么启动的，电路和管路是怎么布局的等问题。

因此，这里使用抽象的一个关键就是：尝试从用户的角度去考虑对象的构建，先去定义用户和对象的交互（即接口），再去想对象的内部数据和接口实现。

封装

封装（encapsulation）是一种 OOP 特性。封装有多种含义，OOP 中的封装的语义是：将数据表示和数据操作，绑定到一个对象中，不能直接访问对象的数据，只能通过方法来访问或修改对象的数据。

类

C++ 中的类（class）就是一种提供抽象的方式，它也相当于自定义类型。

定义类需要确定两个部分：一种称为类声明；一种称为类方法定义。

类声明用于声明数据成员和成员函数（类的蓝图，常常放在头文件），类方法定义用于定义成员函数（类的细节，常常放在库文件）。

类声明部分  

C++ 提供了访问控制关键字：public 和 private。这两个关键字可以限定对象中数据和方法的访问权限，private 提供了数据隐藏，进而加强了类的封装特性。

由于这只是声明，所以一般情况下，普通的成员函数只需要提供函数头。但是也有例外，有些成员函数可以直接提供函数定义，这种成员函数会隐式地定义为内联函数，又叫内联方法。内联函数一般用于短小的函数，编译器会进行优化，避免函数调用的栈开销，例如下面示例中的 SetGrade。

示例如下：

// student.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

class Student
{
public:
    void InitializeData(const std::string& name, int score);
    void SetGrade(int val) { grade = val; };
    void ShowGrade();

private:
    int grade;
    std::string name;
};

这 Student 类的声明，放在头文件。它声明了类的数据成员和成员函数，但是没有给出普通成员函数（即非内联的）的定义。

从类的设计上来看，声明部分把数据成员放在了私有部分，而把成员函数放在了公有部分。公有部分构成了公共接口，而私有部分提供了数据隐藏。

类方法定义部分

在类方法定义部分，使用 :: 来为成员函数指定类名，它的术语叫作用域解析运算符（scope-resolution operator）。

类方法定义部分提供了实现细节。

// student.cpp
#include "student.h"

void Student::InitializeData(const std::string& name_val, int grade_val)
{
    name = name_val;
    grade = grade_val;
}

void Student::ShowGrade()
{
    using namespace std;
    cout << name << " has grade of " << grade << "." << endl;
}

我们看到，成员函数可以访问私有数据成员（name 和 grade）。

类的简单使用

student.h 和 student.cpp 构成了 Student 类的完整定义，接下来是 Student 类的简单使用。

// main.cpp
#include "student.h"

int main()
{
    Student s1;
    Student s2;
    s1.InitializeData("zhangsan", 80);
    s2.InitializeData("lisi", 59);
    s1.ShowGrade();
    s2.ShowGrade();
    s1.SetGrade(99);
    s1.ShowGrade();
    s2.ShowGrade();
}

输出：

zhangsan has grade of 80.
lisi has grade of 59.
zhangsan has grade of 99.
lisi has grade of 59.

这里的要点是，对象 s1 和 s2 都是基于同一个 Student 类创建的，遵循 Student 类提供的相同的抽象。但是对象 s1 和 s2 有自己单独的存储空间，互相不受影响。

但在 C++ 编译器的实现中，不同对象的成员函数/函数实际上是共享的，只有一个副本。但它显然可以找到调用对象的数据成员，因此可以看起来每个对象拥有一个自己的成员函数。

这可以提升编译效率，而不会影响 OOP 特性，即数据表示和数据操作都封装到一个对象里面。

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参考

• Object-oriented programming

• Object-Oriented Programming In C++

• Abstraction in C++

• 《C++ Primer Plus Sixth Edition》 by Stephen Prata