🧩10. 类和对象

经过 string 的学习，实际上已经接触过类和对象的概念——string 本身就是一个类。

1. 为什么需要类？

回顾此前学习的数据类型：

类型	存储内容	支持的操作
int	整数	算术运算
double	浮点数	算术运算
char[]	字符串	需借助 strlen、strcpy 等函数

以上类型存在一个共同缺陷：数据与其操作函数是分离的。

以描述"学生"为例：

string name = "小明";
int age = 10;
int score = 95;

// 需自行编写打印函数：
void printStudent(string name, int age, int score) {
    cout << name << " " << age << "岁 " << score << "分" << endl;
}

当学生数量增多时，数据散落在各个独立变量中，管理和维护将变得困难。

类（class） 正是为了解决这一问题而设计的——将数据及其操作封装为一个整体。

2. 类与对象的基本概念

可以将类与对象的关系理解为模板与实例的关系：

类（class） ：定义了数据结构和行为的抽象模板 对象（object） ：根据类模板创建的具体实例

例如：

              类                             对象
    ┌────────────────────┐           ┌────────────────────┐
    │   住宅设计图        │   实例化   │    住宅 A（我家）   │
    │  - 面积: 100㎡     │  ──────→  │  - 面积: 100㎡     │
    │  - 层数: 2层       │           │  - 层数: 2层       │
    │  + 开门()          │           │  + 开门()          │
    │  + 开灯()          │           │  + 开灯()          │
    └────────────────────┘           └────────────────────┘
                                     ┌────────────────────┐
                                     │    住宅 B（邻居）    │
                                     │  - 面积: 80㎡      │
                                     │  - 层数: 1层       │
                                     │  + 开门()          │
                                     │  + 开灯()          │
                                     └────────────────────┘

同一份类模板可以创建多个不同的对象实例——一个类可以实例化出多个对象。

3. 类的定义

class Student {             // 关键字 class 后跟类名
public:                     // 访问说明符：公开成员
    // ── 成员变量（属性） ──
    string name;
    int age;
    int score;

    // ── 成员函数（方法） ──
    void print() {
        cout << name << " " << age << "岁 " << score << "分" << endl;
    }
};                          // 类定义结束后须加分号

public: 表示其后的成员具有公开访问权限，类外部可直接访问。另有 private:（私有权限，仅类内部可访问），后续章节会详细说明。

4. 对象的创建

int main() {
    Student s1;             // 创建对象，语法与声明变量类似
    s1.name = "小明";       // 为成员变量赋值
    s1.age = 10;
    s1.score = 95;
    s1.print();             // 调用成员函数 → "小明 10岁 95分"

    Student s2;             // 创建第二个对象
    s2.name = "小红";
    s2.age = 11;
    s2.score = 100;
    s2.print();             // → "小红 11岁 100分"

    return 0;
}

由此可见，数据与操作数据的函数被封装在一起，每个对象独立管理自身数据，结构清晰。

5. 构造函数

每次创建对象后逐一手动赋值较为繁琐。C++ 提供了构造函数（constructor） 机制，使对象在创建时即可自动完成初始化：

class Student {
public:
    string name;
    int age;
    int score;

    // 构造函数：名称与类名相同，无返回值类型
    Student(string n, int a, int s) {
        name = n;
        age = a;
        score = s;
    }

    void print() {
        cout << name << " " << age << "岁 " << score << "分" << endl;
    }
};

int main() {
    Student s1("小明", 10, 95);   // 创建时直接传入参数
    Student s2("小红", 11, 100);
    s1.print();
    s2.print();
    return 0;
}

构造函数在对象创建时自动调用，确保每个对象初始化完毕即可使用。

默认构造函数

若未定义任何构造函数，C++ 会隐式提供一个默认构造函数，该函数不执行任何初始化操作：

class Student {
public:
    string name;
    int age;
};

Student s;   // 可通过默认构造函数创建，但 name 和 age 未初始化

然而，一旦用户自定义了任一构造函数，默认构造函数即被覆盖。若仍需支持无参构造，须显式定义：

class Student {
public:
    Student() {}                   // 显式定义无参构造函数
    Student(string n, int a) {     // 有参构造函数
        name = n;
        age = a;
    }
    string name;
    int age;
};

Student s1;              // 使用无参构造函数
Student s2("小明", 10);  // 使用有参构造函数

6. 回顾 string —— 类与对象的实际应用

重新审视 string，可以更清晰地理解类与对象的概念：

string s = "Hello";
int len = s.length();         // 调用成员函数
string sub = s.substr(0, 3);  // 调用成员函数

• string 是一个类，s 是该类的一个对象
• length()、substr()、find() 等均为成员函数
• 字符串内部的字符数据、长度信息等属于成员变量
• + 运算符之所以能直接拼接字符串，是因为类内部对运算符进行了重载

至此可以理解为何 string 比 char[] 更方便——因为它是一个封装完善的类，自带了所有常用操作。

TIP

这正是面向对象编程的核心思想：将数据与操作封装在一起，提升代码的清晰性、安全性和可维护性。

7. 总结

概念	说明	类比
类（class）	定义数据结构和行为的抽象模板	建筑设计图
对象（object）	根据类创建的具体实例	按图纸建造的实体建筑
成员变量	类中定义的变量，描述对象的属性	建筑的面积、层数
成员函数	类中定义的函数，描述对象的行为	开门、开灯等操作
构造函数	对象创建时自动调用的初始化函数	交房时已完成的基础装修

类与对象是 C++ 的核心概念，也是面向对象编程的基础。后续将继续深入学习封装、继承、多态等进阶特性。掌握当前内容后，已可使用类来组织代码结构。

🧠 8. 练习题

1. 定义一个 Book 类，包含 title（书名）、author（作者）和 price（价格）三个成员变量，以及一个 print() 成员函数用于输出书籍信息。创建两本书的对象并调用 print()。

2. 定义一个 Circle 类，包含一个成员变量 radius（半径），以及两个成员函数：area() 计算面积（πr²），perimeter() 计算周长（2πr）。创建一个半径为 5 的圆对象，输出它的面积和周长。

3. 定义一个 Counter 类，包含一个私有的 count 成员变量（初始为 0），以及 increment()（加1）、decrement()（减1）和 getCount()（获取当前值）三个成员函数。创建一个计数器对象，加3次，减1次，输出最终结果。

4. 为 Book 类添加一个构造函数，创建对象时直接传入书名、作者和价格。创建三个不同的 Book 对象并输出。

5. 定义一个 Temperature 类，包含一个 celsius 成员变量，以及 toFahrenheit() 成员函数（返回摄氏度转华氏度的结果，公式：F = C × 9/5 + 32）。创建几个不同温度的对象并输出对应的华氏度。

6. 定义一个 Rectangle 类，包含长和宽，以及 isSquare() 成员函数判断是否为正方形。测试几个不同的矩形。

7. 定义一个 Student 类，包含姓名和三个科目的成绩，添加一个 average() 成员函数计算平均分。创建几个学生对象，输出他们的平均分。