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C/C++面向对象编程之封装

前言：

什么是对象：

世界万物皆可称为对象，对象的含义是指具体的某一个事物，即在现实生活中能够看得见摸得着的事物。在面向对象程序设计中，对象包含两个含义，其中一个是数据，另外一个是方法。对象则将一类事物的的特性和行为抽象出来，并封闭起来对待，在计算机里就是是数据和方法的结合体。 什么是面向对象： 简单来说就是以特性和行为去分析一个东西的思想叫面向对象，关注事物的整体属性和行为。 什么是面向对象编程： 就是采用某种编程语言按照面向对象的思想去编程，从而解决问题，就叫做面向对象编程。

1、面向对象编程

面向对象编程思想的三大特点是：封装，继承和多态。这三种机制能够有效提高程序的可读性、可扩充性和可重用性。

嵌入式Linux操作系统虽然是使用 C 语言作为主要的编写语言，但里面的设计大部分都使用了面向对象的编程思想。 编程语言只是一种工具，编程思想才是用好这个工具的关键。 类和对象是面向对象编程的特有属性，虽然C语言不支持类和对象的概念，但是面向对象的编程思想，依然可以指导我们更好的用好C语言这个工具。 注：以下内容把C语言中的结构体和C++的类放在一起对比学习，有助于有C语言基础的同学更好的理解C++中类的概念，另外本文的目的只在于抽取面向对象编程的思想，不对C++的内容做过多讲解。

2、什么是类和对象

在C语言中，结构体是一种构造类型，可以包含若干成员变量，每个成员变量的类型可以不同；可以通过结构体来定义结构体变量，每个变量拥有相同的性质。

在C++语言中,类也是一种构造类型，但是进行了一些扩展，可以将类看做是结构体的升级版，类的成员不但可以是变量，还可以是函数；不同的是，通过结构体定义出来的变量还是叫变量，而通过类定义出来的变量有了新的名称，叫做对象（Object） 在 C++ 中，通过类名就可以创建对象，这个过程叫做类的实例化，因此也称对象是类的一个实例（Instance） 类的成员变量称为属性（Property），将类的成员函数称为方法（Method）。 在C语言中的使用struct这个关键字定义结构体，在C++ 中使用的class这个关键字定义类。 C语言中的结构体：

//通过struct 关键字定义结构体struct rt_object{
       char       name[8];                 char type;                    char flag;                   //指向函数的指针类型    void  (*display)(void);           };

C++语言中的类：

//通过class关键字类定义类class rt_object{
   public:    char       name[8];                char type;                  char flag;                   //类包含的函数    void display(){
           printf("123456789");    }     void display(int a){
           printf("a=%d",a);    }};

注意到类中有两个同名函数display，一个带参，一个不带参，这在C++中叫函数的重载。

函数的重载的规则：

• 函数名称必须相同。
• 参数列表必须不同（个数不同、类型不同、参数排列顺序不同等）。
• 函数的返回类型可以相同也可以不相同。
• 仅仅返回类型不同不足以成为函数的重载。

C++和C语言的编译方式不同。C语言中的函数在编译时名字不变，或者只是简单的加一个下划线_（不同的编译器有不同的实现），例如，func() 编译后为 func() 或 _func()。

而C++中的函数在编译时会根据它所在的命名空间、它所属的类、以及它的参数列表（也叫参数签名）等信息进行重新命名，形成一个新的函数名。这个新的函数名只有编译器知道，对用户是不可见的。对函数重命名的过程叫做名字编码（Name Mangling），是通过一种特殊的算法来实现的。当发生函数调用时，编译器会根据传入的实参去逐个匹配，以选择对应的函数，如果匹配失败，编译器就会报错，这叫做重载决议（Overload Resolution）。 函数重载仅仅是语法层面的，本质上它们还是不同的函数，占用不同的内存，入口地址也不一样。

3、内存分布的对比

不管是C语言中的结构体或者C++中的类，都只是相当于一个模板，起到说明的作用，不占用内存空间；结构体定义的变量和类创建的对象才是实实在在的数据，要有地方来存放，才会占用内存空间。

对单片机内存分配不熟悉的可以看这篇文章： 结构体变量的内存模型： 结构体的内存分配是按照声明的顺序依次排列，涉及到内存对齐问题。 为什么会存在内存对齐问题，引用傻孩子公众号裸机思维的文章《漫谈C变量——对齐》加以解释：

在ARM Compiler里面，结构体内的成员并不是简单的对齐到字（Word）或者半字（Half Word），更别提字节了（Byte），结构体的对齐使用以下规则：

• 整个结构体，根据结构体内最大的那个元素来对齐。比如，整个结构体内部最大的元素是WORD，那么整个结构体就默认对齐到4字节。
• 结构体内部，成员变量的排列顺序严格按照定义的顺序进行。
• 结构体内部，成员变量自动对齐到自己的大小——这就会导致空隙的产生。
• 结构体内部，成员变量可以通过 attribute ((packed))单独指定对齐方式为byte。

strut对象的内存模型：

//通过struct 关键字定义结构体struct {
       uint8_t    a;    uint16_t   b;    uint8_t    c;    uint32_t   d；};

对象的内存模型：

假如创建了 10 个对象，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，放在code区。如下图所示： 成员变量在堆区或栈区分配内存，成员函数放在代码区。对象的大小只受成员变量的影响，和成员函数没有关系。对象的内存分布按照声明的顺序依次排列，和结构体非常类似，也会有内存对齐的问题。

可以看到结构体和对象的内存模型都是非常干净的，C语言里访问成员函数实际上是通过指向函数的指针变量来访问（相当于回调）,那么C++编译器究竟是根据什么找到了成员函数呢？

实际上C++的编译代码的过程中，把成员函数最终编译成与对象无关的全局函数，如果函数体中没有成员变量，那问题就很简单，不用对函数做任何处理，直接调用即可。 如果成员函数中使用到了成员变量该怎么办呢？成员变量的作用域不是全局，不经任何处理就无法在函数内部访问。 C++规定，编译成员函数时要额外添加一个参数，把当前对象的指针传递进去，通过指针来访问成员变量。 这样通过传递对象指针完成了成员函数和成员变量的关联。这与我们从表明上看到的刚好相反，通过对象调用成员函数时，不是通过对象找函数，而是通过函数找对象。 这在C++中一切都是隐式完成的，对程序员来说完全透明，就好像这个额外的参数不存在一样。

4、封装的思想

C和C++项目组织方式的对比：

不要小看类（Class）这一层封装，它有很多特性，极大地方便了中大型程序的开发，它让 C++ 成为面向对象的语言。 面向对象编程在代码执行效率上绝对没有任何优势，它的主要目的是方便程序员组织和管理代码，快速梳理编程思路，带来编程思想上的革新。 面向对象编程是针对开发中大规模的程序而提出来的，目的是提高软件开发的效率。不要把面向对象和面向过程对立起来，面向对象和面向过程不是矛盾的，而是各有用途、互为补充的。对于C语言同样可以利用面向对象的编程思想开发中大规模的程序。

4.1 C++语言中类的定义和对象的创建

类的定义：

在 C++里 struct 关键字与 class 关键字一般可以通用，只有一个很小的区别。 struct 的成员默认情况下属性是 public 的，而 class 成员却是 private 的。既然 struct 关键字与 class 关键字可以通用，所以在C++的编译环境下，结构体内也是可以放函数的。 一个简单的类的定义：

class Student{
   public:    public:    void setname(char *name);    void setage(int age);    void setscore(float score);    void say();    //声明构造函数    Student();    Student(char *name, int age, float score);private:	//成员变量    char *name;    int age;    float score;};//定义构造函数Student::Student(){
       name = NULL;    age = 0;    score = 0.0;}//定义构造函数Student::Student(char *name, int age, float score){
       this->name = name;    this->age = age;    this->score = score;}void Student::setname(char *name){
       this->name = name;}void Student::setage(int age){
       this->age = age;}void Student::setscore(float score){
       this->score = score;}void Student::say(){
       cout<
   
    name<<"的年龄是"<
    
     age<<"，成绩是"<
     
      score<
     
    
   

创建对象：

创建对象和结构体定义变量非常类似，也可以使用指向对象的指针，不同是class 关键字可要可不要。以下几种方式都可以创建对象：

class Student stu;  //在栈上创建对象Student stu;  //在栈上创建对象Student stu("小明", 15, 92.5f);//在栈上创建对象，并初始化成员变量Student *pStu = &stu;//在栈上创建对象Student *pStu = new Student;//在堆上创建对象

访问类的成员：

通过对象名字访问成员使用点号.，通过对象指针访问成员使用箭头->，这和结构体非常类似：

int main(){
       //创建对象    Student stu("小明", 15, 92.5f);    stu.say();    return 0;}

int main(){
       Student *pStu = new Student;    pstu -> setname("李华");    pstu -> setage(16);    pstu -> setscore(96.5);    pstu -> say();    delete pStu;  //删除对象    return 0;

4.2 C语言实现类的定义和对象的创建

在C语言的编译环境下，不支持结构体内放函数类型，除了函数外，就和C++语言里定义类和对象的思路完全一样了。

以下暂且把结构体称之为类，把结构体定义的变量称之为对象，以方便于理解面向对象的编程思想。 类的定义：

struct Student{
       //成员变量    char *name;    int age;    float score;    //成员函数用指向函数的指针替代    void (*say)(struct Student * stu);};void show(struct Student * stu){
   	printf("%s的年龄是%d,成绩是%f\n",stu->name,stu->age,stu->score);}void setname(struct Student * stu,char *m_name){
   	if(NULL != stu){
           stu->name = m_name;    }}void setage(struct Student * stu,int m_age){
   	if(NULL != stu){
           stu->age= m_age;    }}void setscore(struct Student * stu,float m_score){
   	if(NULL != stu){
           stu->score= m_score;    }}void setsay(struct Student * stu,void (*say)(struct Student * stu))//设置回调{
   	if(NULL != stu){
           stu->say= say;    }}

创建对象：

以下几种方式都可以创建对象：

struct Student stu; //在栈上创建对象struct Student stu = {
   "小明",15,92.5f,show};  //在栈上创建对象，并初始化成员变量struct Student *pStu = &stu;//在栈上创建对象struct Student *pStu = (struct Student *)malloc(sizeof(struct Student));//在堆上创建对象

访问类的成员：

通过对象名字访问成员使用点号.，通过对象指针访问成员使用箭头->

int main(){
       //创建对象    Student stu= {
   "小明",15,92.5f,show};    stu.say(&stu);    setname(&stu,"小王");    setage(&stu,18);    setscore(&stu,99.0f);    stu.say(&stu);    return 0;}

int main(){
       //创建对象	struct Student *pStu = (struct Student *)malloc(sizeof(struct Student));//在堆上创建对象    setname(pStu,"小王");    setage(pStu,18);    setscore(pStu,99.0f);	setsay(pStu,show);    pStu->say(pStu);    free(pStu);  //删除对象    return 0;}

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