第8章類和對(duì)象

第8章類和對(duì)象

面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)：以功能為中心,采用函數(shù)來(lái)描述。

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(OOP)：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法認(rèn)為，客觀世界是由各種各樣的實(shí)體組成的，這些實(shí)體就是面向?qū)ο蠓椒ㄖ械膶?duì)象。消息是向某對(duì)象請(qǐng)求服務(wù)的一種表達(dá)方式對(duì)象之間的交互通過(guò)發(fā)送消息來(lái)實(shí)現(xiàn)。消息包括:目標(biāo)對(duì)象,請(qǐng)求的方法,參數(shù)8.1面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法概述8.1.1什么是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)1.對(duì)象客觀世界中任何一個(gè)事物都可以看成一個(gè)對(duì)象。對(duì)象兩要素：屬性(attribute)：對(duì)象的靜態(tài)特征行為(behavior)：對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征，它能根據(jù)外界給的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作。一個(gè)對(duì)象是由一組屬性和一組行為構(gòu)成的。圖8.1

在一個(gè)系統(tǒng)中的多個(gè)對(duì)象之間通過(guò)一定的渠道相互聯(lián)系，要使某一個(gè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)某一種行為(即操作)，應(yīng)當(dāng)向它傳送相應(yīng)的消息。對(duì)象之間就是這樣通過(guò)發(fā)送和接收消息互相聯(lián)系的。在C++中，每個(gè)對(duì)象都是由數(shù)據(jù)和函數(shù)(即操作代碼)這兩部分組成的,見圖：如三角形對(duì)象：屬性：它的3個(gè)邊長(zhǎng)。行為：計(jì)算出三角形的面積，并且輸出調(diào)用對(duì)象中的函數(shù)就是向該對(duì)象傳送一個(gè)消息(message)，要求該對(duì)象實(shí)現(xiàn)某一行為(功能)。2.封裝與信息隱蔽“封裝”，指兩方面的含義：將有關(guān)的數(shù)據(jù)和操作代碼封裝在一個(gè)對(duì)象中，形成一個(gè)基本單位，各個(gè)對(duì)象之間相對(duì)獨(dú)立，互不干擾。將對(duì)象中某些部分對(duì)外隱蔽，即隱蔽其內(nèi)部細(xì)節(jié)，只留下少量接口，以便與外界聯(lián)系，接收外界的消息。

C++的對(duì)象中的函數(shù)名就是對(duì)象的對(duì)外接口，外界可以通過(guò)函數(shù)名來(lái)調(diào)用這些函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)某些行為(功能)。3.抽象抽象(abstraction）：有關(guān)事物的共性歸納、集中的過(guò)程。抽象的作用是表示同一類事物的本質(zhì)。 對(duì)象是具體存在的，如一個(gè)三角形可以作為一個(gè)對(duì)象，10個(gè)不同尺寸的三角形是10個(gè)對(duì)象。如果這10個(gè)三角形對(duì)象有相同的屬性和行為，可以將它們抽象為一種類型，稱為三角形類型。在C++中，這種類型就稱為“類(class)”。這10個(gè)三角形就是屬于同一“類”的對(duì)象。類是對(duì)象的抽象，而對(duì)象則是類的特例，或者說(shuō)是類的具體表現(xiàn)形式。4.繼承與重用繼承：在原有基礎(chǔ)上增加新的內(nèi)容。例：白色的馬重用：利用一個(gè)已有的類建立一個(gè)新的類，即“軟件重用”思想。5.多態(tài)性多態(tài)性:是指允許不同類的對(duì)象對(duì)同一個(gè)消息作出的響應(yīng)各不相同。多態(tài)性是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征，能增加程序的靈活性。一個(gè)傳統(tǒng)的面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)是圍繞功能進(jìn)行的，用一個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)功能。所有的數(shù)據(jù)都是公用的，一個(gè)函數(shù)可以使用任何一組數(shù)據(jù)，而一組數(shù)據(jù)又能被多個(gè)函數(shù)所使用（見圖8.3）。

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的特點(diǎn)圖8.3面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)任務(wù)包括兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)所需的各種類和對(duì)象，即決定把哪些數(shù)據(jù)和操作封裝在一起；二是考慮怎樣向有關(guān)對(duì)象發(fā)送消息，以完成所需的任務(wù)。 這時(shí)他如同一個(gè)總調(diào)度，不斷地向各個(gè)對(duì)象發(fā)出命令，讓這些對(duì)象活動(dòng)起來(lái)(或者說(shuō)激活這些對(duì)象)，完成自己職責(zé)范圍內(nèi)的工作。各個(gè)對(duì)象的操作完成了，整體任務(wù)也就完成了。在面向過(guò)程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中程序表述： 程序=算法＋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中程序表述： 對(duì)象=算法＋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 程序=(對(duì)象+對(duì)象+對(duì)象+…)+消息或： 程序=對(duì)象s+消息“對(duì)象s”表示多個(gè)對(duì)象。消息的作用就是對(duì)對(duì)象的控制。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)好每一個(gè)對(duì)象，及確定向這些對(duì)象發(fā)出的命令，使各對(duì)象完成相應(yīng)操作。8.1.3類和對(duì)象的作用面向?qū)ο蟮能浖こ贪ㄒ韵聨讉€(gè)部分：面向?qū)ο蠓治?objectorientedanalysis,OOA)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)(objectorienteddesign,OOD)面向?qū)ο缶幊?objectorientedprogramming,

OOP)面向?qū)ο鬁y(cè)試(objectorientedtest,OOT)面向?qū)ο缶S護(hù)(objectorientedsoft

maintenance,OOSM)8.1.4面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)每一個(gè)實(shí)體都是對(duì)象。對(duì)象的類型稱為類(class)。類是對(duì)象的抽象，而對(duì)象是類的具體實(shí)例(instance)例如:結(jié)構(gòu)體類型和結(jié)構(gòu)體變量的關(guān)系一樣，在C++中也是先聲明一個(gè)類類型，然后用它去定義若干個(gè)同類型的對(duì)象。對(duì)象就是類類型的一個(gè)變量?？梢哉f(shuō)類是對(duì)象的模板。類是抽象的，不占用內(nèi)存，而對(duì)象是具體的，占用存儲(chǔ)空間。8.2類的聲明和對(duì)象的定義

8.2.1類和對(duì)象的關(guān)系下面是聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型的方法：structStudent

//聲明了一個(gè)名為Student的結(jié)構(gòu)體類型{ intnum; charname[20]; charsex;};Studentstud1，stud2;

//定義了兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量stud1和stud2。它只包括數(shù)據(jù)，沒有包括操作。8.2.2聲明類類型類是用戶自己指定的類型。必須自己根據(jù)需要進(jìn)行聲明，類要先聲明后使用。現(xiàn)在聲明一個(gè)類：

classStudent//以class開頭{ intnum; charname[20]; charsex; //以上3行是數(shù)據(jù)成員

voiddisplay()//這是成員函數(shù)

{ cout<<″num:″<<num<<endl; cout<<″name:″<<name<<endl; cout<<″sex:″<<sex<<endl; }};Studentstud1，stud2;定義了Student類的對(duì)象stud1和stud2類聲明的一般形式如下：

class類名

{private:

私有的數(shù)據(jù)和成員函數(shù); public:

公用的數(shù)據(jù)和成員函數(shù); };private和public稱為成員訪問(wèn)限定符。如果在類的定義中既不指定private

或public

，則系統(tǒng)就默認(rèn)為是私有的。

protected聲明的成員稱為受保護(hù)的成員，它不能被類外訪問(wèn)(這點(diǎn)與私有成員類似)，但可以被派生類的成員函數(shù)訪問(wèn)。1.先聲明類類型，然后再定義對(duì)象（1）class

類名對(duì)象名例如：classStudentstud1,stud2;（2）類名對(duì)象名例如：Studentstud1，stud2;8.2.3定義對(duì)象的方法2.在聲明類類型的同時(shí)定義對(duì)象classStudent //聲明類類型{public: //先聲明公用部分

voiddisplay(){ cout<<″num:″<<num<<endl; cout<<″name:″<<name<<endl; cout<<″sex:″<<sex<<endl;}private: //后聲明私有部分

intnum; charname[20]; charsex;}stud1，stud2; //定義了兩個(gè)Student類的對(duì)象3.不出現(xiàn)類名，直接定義對(duì)象class

//無(wú)類名{private:

//聲明以下部分為私有的┆

public:

//聲明以下部分為公用的┆

}stud1，stud2;

//定義了兩個(gè)無(wú)類名的類對(duì)象

直接定義對(duì)象，在C++中是合法的、允許的，但卻很少用，也不提倡用。在定義一個(gè)對(duì)象時(shí)，編譯系統(tǒng)會(huì)為這個(gè)對(duì)象分配存儲(chǔ)空間，以存放對(duì)象中的成員。用struct定義一個(gè)類型class聲明的類關(guān)鍵字不同：struct數(shù)據(jù)都是公用的關(guān)鍵字不同：class默認(rèn)為private8.2.4類和結(jié)構(gòu)體類型的異同structStudent{ intnum; charname[20]; charsex;voiddisplay(){ cout<<num<<endl; cout<<name<<endl; cout<<sex<<endl;}};classStudent{ intnum; charname[20]; charsex;voiddisplay(){cout<<num<<endl; cout<<name<<endl; cout<<sex<<endl;}};公有的私有的

類的成員函數(shù)與一般函數(shù)的區(qū)別：類的成員函數(shù)屬于一個(gè)類的成員，出現(xiàn)在類體中。它可以被指定為private(私有的)、public(公用的)或protected(受保護(hù)的)。在使用類函數(shù)時(shí)，要注意調(diào)用它的權(quán)限(它能否被調(diào)用)以及它的作用域(函數(shù)能使用什么范圍中的數(shù)據(jù)和函數(shù))。例如：私有的成員函數(shù)只能被本類中的其他成員函數(shù)所調(diào)用，而不能被類外調(diào)用。8.3類的成員函數(shù)

8.3.1成員函數(shù)的性質(zhì)classStudent{public:voiddisplay(); //在類內(nèi)聲明display類函數(shù)private:intnum;stringname;charsex;};voidStudent∷display() //在類外定義類函數(shù){cout<<″num:″<<num<<endl;cout<<″name:″<<name<<endl;cout<<″sex:″<<sex<<endl;}Studentstud1,stud2; //定義兩個(gè)類對(duì)象8.3.2在類外定義成員函數(shù)注意：在類體中直接定義函數(shù)時(shí)，函數(shù)名前不加類名成員函數(shù)在類外定義時(shí)，必須在函數(shù)名前面加上類名，予以限定(qualifed)，“∷”是作用域限定符如果函數(shù)名前面既無(wú)類名又無(wú)作用域運(yùn)算符“∷”，如:∷display()或display()則表示display函數(shù)是全局函數(shù)，即一般普通函數(shù)。類函數(shù)在類外定義，類體的位置應(yīng)在函數(shù)定義之前如果一個(gè)函數(shù)，其函數(shù)體只有2~3行，一般可在聲明類時(shí)在類體中定義。為了提高運(yùn)行時(shí)的效率，對(duì)于較簡(jiǎn)單的函數(shù)可以聲明為內(nèi)聯(lián)形式（函數(shù)代碼嵌入程序的調(diào)用點(diǎn)）內(nèi)聯(lián)函數(shù)體中不能有復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如循環(huán)語(yǔ)句和switch語(yǔ)句）在類中聲明內(nèi)聯(lián)成員函數(shù)的方式：將函數(shù)體放在類的聲明中。使用inline關(guān)鍵字。8.3.3inline成員函數(shù)例:在類中定義內(nèi)聯(lián)函數(shù)。classStudent{public:voiddisplay() //或inlinevoiddisplay()

{ cout<<″num:″<<num<<endl; cout<<″name:″<<name<<endl; cout<<″sex:″<<sex<<endl;}private: intnum; stringname; charsex;};例：在類中聲明、類外定義的內(nèi)聯(lián)成員函數(shù)classStudent{public: inlinevoiddisplay(); //聲明此函數(shù)為內(nèi)置函數(shù)private: intnum;stringname;charsex;};inlinevoidStudent∷display() //在類外定義內(nèi)聯(lián)函數(shù){ cout<<″num:″<<num<<endl; cout<<″name:″<<name<<endl; cout<<″sex:″<<sex<<endl;}例如：計(jì)算該類對(duì)象所占用的字節(jié)數(shù)。classTime{public: inthour;intminute;intsec;voidset(){ cin>>a>>b>>c;}};可以用下面的語(yǔ)句來(lái)輸出該類對(duì)象所占用的字節(jié)數(shù)：cout<<sizeof(Time)<<endl; //輸出值為12成員函數(shù)的存儲(chǔ)：

在程序中經(jīng)常需要訪問(wèn)對(duì)象中的成員。訪問(wèn)對(duì)象中的成員可以有3種方法：通過(guò)對(duì)象名和成員運(yùn)算符訪問(wèn)對(duì)象中的成員;

通過(guò)指向?qū)ο蟮闹羔樤L問(wèn)對(duì)象中的成員;

通過(guò)對(duì)象的引用變量訪問(wèn)對(duì)象中的成員。8.4對(duì)象成員的引用一般形式為： 對(duì)象名.成員名例如：stud1.num=1001;stud1.display();√display();×注意：只能訪問(wèn)public成員，而不能訪問(wèn)private成員，如果已定義num為私有數(shù)據(jù)成員，下面的語(yǔ)句是錯(cuò)誤的：stud1.num=10101;×//num不能被外界引用8.4.1通過(guò)對(duì)象名和成員運(yùn)算符訪問(wèn)對(duì)象中的成員如果有以下程序段：

classTime{public: //數(shù)據(jù)成員是公用的inthour;intminute;};Timet,*p;//定義對(duì)象t和指針變量pp=&t; //使p指向?qū)ο髏cout<<p->hour;//輸出p指向的對(duì)象中的成員hour在p指向t的前提下，p->hour，(*p).hour和t.hour三者等價(jià)。8.4.2通過(guò)指向?qū)ο蟮闹羔樤L問(wèn)對(duì)象中的成員

如果為一個(gè)對(duì)象定義了一個(gè)引用變量，它們是共占同一段存儲(chǔ)單元的，實(shí)際上它們是同一個(gè)對(duì)象，可以通過(guò)引用變量來(lái)訪問(wèn)對(duì)象中的成員。如果已聲明了Time類，并有以下定義語(yǔ)句：Timet1;//定義對(duì)象t1Time&t2=t1;//定義Time類引用變量t2，并使之初始化為t1cout<<t2.hour;//輸出對(duì)象t1中的成員hour由于t2與t1共占同一段存儲(chǔ)單元(即t2是t1的別名)，因此t2.hour就是t1.hour。8.4.3通過(guò)對(duì)象的引用變量來(lái)訪問(wèn)對(duì)象中的成員t1t2公用成員函數(shù)是用戶使用類的公用接口(publicinterface)，或者說(shuō)是類的對(duì)外接口。通過(guò)成員函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)成員進(jìn)行操作稱為類的實(shí)現(xiàn)類中被操作的數(shù)據(jù)是私有的，實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)對(duì)用戶是隱蔽的，這種實(shí)現(xiàn)稱為私有實(shí)現(xiàn)(privateimplementation)。這種“類的公用接口與私有實(shí)現(xiàn)的分離”形成了信息隱蔽。8.5類的封裝性和信息隱蔽

8.5.1公用接口與私有實(shí)現(xiàn)的分離如果將類的聲明放在指定的頭文件中，用戶如果想用該類，只要把有關(guān)的頭文件包含進(jìn)來(lái)即可。8.5.2類聲明和成員函數(shù)定義的分離例如，可以分別寫兩個(gè)文件：//student.h(這是頭文件，在此文件中進(jìn)行類的聲明)classStudent//類聲明{public:voiddisplay();//公用成員函數(shù)原型聲明private:intnum;charname[20];charsex;};//student.cpp//在此文件中進(jìn)行函數(shù)的定義#include<iostream>#include″student.h″//不要漏寫此行，否則編譯通不過(guò)voidStudent∷display()//在類外定義display類函數(shù){cout<<″num:″<<num<<endl;cout<<″name:″<<name<<endl;cout<<″sex:″<<sex<<endl;}//main.cpp主函數(shù)模塊#include<iostream>#include″student.h″//將類聲明頭文件包含進(jìn)來(lái)intmain(){Studentstud; //定義對(duì)象stud.display();//執(zhí)行stud對(duì)象的display函數(shù)return0;}注意：由于將頭文件student.h放在用戶當(dāng)前目錄中，因此在文件名兩側(cè)用雙撇號(hào)包起來(lái)(″student.h″)，否則編譯時(shí)會(huì)找不到此文件。圖8.6成員函數(shù)的定義不放在頭文件。若干個(gè)常用的功能相近的類聲明集中在一起，形成類庫(kù)。類庫(kù)有兩種：標(biāo)準(zhǔn)類庫(kù)和用戶類庫(kù)。類庫(kù)包括兩個(gè)組成部分：

(1)類聲明頭文件；

(2)已經(jīng)過(guò)編譯的成員函數(shù)的定義，它是目標(biāo)文件。用戶只需把類庫(kù)裝入到自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中(一般裝到C++編譯系統(tǒng)所在的子目錄下)，并在程序中用#include命令行將有關(guān)的類聲明的頭文件包含到程序中，就可以使用這些類和其中的成員函數(shù)，順利地運(yùn)行程序。在用戶程序中包含類聲明頭文件，類聲明頭文件就成為用戶使用類的公用接口例8.1最簡(jiǎn)單的例子。#include<iostream>usingnamespacestd;classTime//定義Time類{public://數(shù)據(jù)成員為公用的

inthour;intminute;intsec;};8.6類和對(duì)象的簡(jiǎn)單應(yīng)用舉例intmain(){Timet1;//定義t1為Time類對(duì)象cin>>t1.hour;//輸入設(shè)定的時(shí)間cin>>t1.minute;cin>>t1.sec;cout<<t1.hour<<″:″<<t1.minute<<″:″<<t1.sec<<endl;//輸出時(shí)間return0;}運(yùn)行情況如下：123243↙12:32:43注意：(1)在引用數(shù)據(jù)成員hour，minute，sec時(shí)不要忘記在前面指定對(duì)象名。(2)不要錯(cuò)寫為類名，如寫成Time.hour,Time.minute,Time.sec是不對(duì)的。因?yàn)轭愂且环N抽象的數(shù)據(jù)類型，并不是一個(gè)實(shí)體，也不占存儲(chǔ)空間，而對(duì)象是實(shí)際存在的實(shí)體，是占存儲(chǔ)空間的，其數(shù)據(jù)成員是有值的，可以被引用的。(3)如果刪去主函數(shù)的3個(gè)輸入語(yǔ)句，即不向這些數(shù)據(jù)成員賦值，則它們的值是不可預(yù)知的。例8.2引用多個(gè)對(duì)象的成員。（1）程序(a)#include<iostream>usingnamespacestd;classTime{public:inthour;intminute;intsec;};intmain(){Timet1;//定義對(duì)象t1cin>>t1.hour;cin>>t1.minute;cin>>t1.sec;cout<<t1.hour<<″:″<<t1.minute<<″:″<<t1.sec<<endl;Timet2;cin>>t2.hour;cin>>t2.minute;cin>>t2.sec;cout<<t2.hour<<″:″<<t2.minute<<″:″<<t2.sec<<endl;return0;}運(yùn)行情況如下：103243↙10:32:43223243↙22:32:43（2）程序(b)#include<iostream>usingnamespacestd;classTime{public:inthour;intminute;intsec;};intmain(){voidset_time(Time&);voidshow_time(Time&);Timet1;set_time(t1);show_time(t1);Timet2;set_time(t2);show_time(t2);return0;}voidset_time(Time&t){cin>>t.hour;cin>>t.minute;cin>>t.sec;}voidshow_time(Time&t){cout<<t.hour<<″:″<<t.minute<<″:″<<t.sec<<endl;}運(yùn)行情況與程序(a)相同。（3）程序(c)intmain(){voidset_time(Time&,inthour=0,intminute=0,intsec=0);voidshow_time(Time&);Timet1;set_time(t1,12,23,34);show_time(t1);Timet2;set_time(t2);//普通函數(shù)調(diào)用，無(wú)初始值使用默認(rèn)參數(shù)show_time(t2);return0;}voidset_time(Time&t,inthour,intminute,intsec){ t.hour=hour; t.minute=minute; t.sec=sec;}voidshow_time(Time&t){ cout<<t.hour<<″:″<<t.minute<<″:″<<t.sec<<endl;}程序運(yùn)行時(shí)的輸出為：12:23:34(t1中的時(shí)、分、秒)0:0:0(t2中的時(shí)、分、秒)

以上兩個(gè)程序中定義的類都只有數(shù)據(jù)成員，沒有成員函數(shù)，這顯然沒有體現(xiàn)出使用類的優(yōu)越性。在下面的例子中，類體中就包含了成員函數(shù)。例8.3將例8.2的程序改用含成員函數(shù)的類來(lái)處理。#include<iostream>usingnamespacestd;classTime{public: voidset_time(); //公用成員函數(shù)

voidshow_time(); //公用成員函數(shù)

private: //數(shù)據(jù)成員為私有

inthour; intminute; intsec;};intmain(){Timet1;

//定義對(duì)象t1t1.set_time();

//調(diào)用對(duì)象t1的成員函數(shù)set_time，輸入數(shù)據(jù)t1.show_time();

//調(diào)用對(duì)象t1的成員函數(shù)show_time，輸出數(shù)據(jù)Timet2;

//定義對(duì)象t2t2.set_time();

//調(diào)用對(duì)象t2的成員函數(shù)set_time，輸入數(shù)據(jù)t2.show_time();

//調(diào)用對(duì)象t2的成員函數(shù)show_time，輸出數(shù)據(jù)return0;}voidTime∷set_time()//在類外定義set_time函數(shù){

cin>>hour;cin>>minute;cin>>sec;}voidTime∷show_time()//在類外定義show_time函數(shù){

cout<<hour<<″:″<<minute<<″:″<<sec<<endl;}運(yùn)行情況與例8.2中的程序(a)相同。注意：在主函數(shù)中調(diào)用兩個(gè)成員函數(shù)時(shí)，應(yīng)指明對(duì)象名(t1,t2)。在類外定義函數(shù)時(shí)，應(yīng)指明函數(shù)的作用域(