C++从零开始（十）——何谓类

160前篇说明了结构只不过是定义了内存布局而已，提到类型定义符前还可以书写class，即类型的自定义类型（简称类），它和结构根本没有区别（仅有一点小小的区别，下篇说明），而之所以还要提供一个class，实际是由于C++是从C扩展而成，其中的class是C++自己提出的一个很重要的概念，只是为了与C语言兼容而保留了struct这个关键字。不过通过前面括号中所说的小小区别也足以看出C++的设计者为结构和类定义的不同语义，下篇说明。
暂时可以先认为类较结构的长足进步就是多了成员函数这个概念（虽然结构也可以有成员函数），在了解成员函数之前，先来看一种语义需求。


操作与资源

程序主要是由操作和被操作的资源组成，操作的执行者就是CPU，这很正常，但有时候的确存在一些需要，需要表现是某个资源操作了另一个资源（暂时称作操作者），比如游戏中，经常出现的就是要映射怪物攻击了玩家。之所以需要操作者，一般是因为这个操作也需要修改操作者或利用操作者记录的一些信息来完成操作，比如怪物的攻击力来决定玩家被攻击后的状态。这种语义就表现为操作者具有某些功能。为了实现上面的语义，如原来所说进行映射，先映射怪物和玩家分别为结构，如下：
struct Monster { float Life; float Attack; float Defend; };
struct Player { float Life; float Attack; float Defend; };
上面的攻击操作就可以映射为void MonsterAttackPlayer( Monster &mon, Player &pla );。注意这里期望通过函数名来表现操作者，但和前篇说的将过河方案起名为sln一样，属于一种本末倒置，因为这个语义应该由类型来表现，而不是函数名。为此，C++提供了成员函数的概念。


成员函数

与之前一样，在类型定义符中书写函数的声明语句将定义出成员函数，如下：
struct ABC { long a; void AB( long ); };
上面就定义了一个映射元素——第一个变量ABC::a，类型为long ABC::;以及声明了一个映射元素——第二个函数ABC::AB，类型为void ( ABC:: )( long )。类型修饰符ABC::在此修饰了函数ABC::AB，表示其为函数类型的偏移类型，即是一相对值。但由于是函数，意义和变量不同，即其依旧映射的是内存中的地址（代码的地址），但由于是偏移类型，也就是相对的，即是不完整的，因此不能对它应用函数操作符，如：ABC::AB( 10 );。这里将错误，因为ABC::AB是相对的，其相对的东西不是如成员变量那样是个内存地址，而是一个结构指针类型的参数，参数名一定为this，这是强行定义的，后面说明。
注意由于其名字为ABC::AB，而上面仅仅是对其进行了声明，要定义它，仍和之前的函数定义一样，如下：
void ABC::AB( long d ) { this->a = d; }
应注意上面函数的名字为ABC::AB，但和前篇说的成员变量一样，不能直接书写long ABC::a;，也就不能直接如上书写函数的定义语句（至少函数名为ABC::AB就不符合标识符规则），而必须要通过类型定义符“{}”先定义自定义类型，然后再书写，这会在后面说明声明时详细阐述。
注意上面使用了this这个关键字，其类型为ABC*，由编译器自动生成，即上面的函数定义实际等同于void ABC::AB( ABC *this, long d ) { this->a = d; }。而之所以要省略this参数的声明而由编译器来代劳是为了在代码上体现出前面提到的语义（即成员的意义），这也是为什么称ABC::AB是函数类型的偏移类型，它是相对于这个this参数而言的，如何相对，如下：
ABC a, b, c; a.ABC::AB( 10 ); b.ABC::AB( 12 ); c.AB( 14 );
上面利用成员操作符调用ABC::AB，注意执行后，a.a、b.a和c.a的值分别为10、12和14，即三次调用ABC::AB，但通过成员操作符而导致三次的this参数的值并不相同，并进而得以修改三个ABC变量的成员变量a。注意上面书写a.ABC::AB( 10 );，和成员变量一样，由于左右类型必须对应，因此也可a.AB( 10 );。还应注意上面在定义ABC::AB时，在函数体内书写this->a = d;，同上，由于类型必须对应的关系，即this必须是相应自定义类型的指针，所以也可省略this->的书写，进而有void ABC::AB( long d ) { a = d; }。
注意这里成员操作符的作用，其不再如成员变量时返回相应成员变量类型的数字，而是返回一函数类型的数字，但不同的就是这个函数类型是无法用语法表示出来的，即C++并没有提供任何关键字或类型修饰符来表现这个返回的类型（VC内部提供了__thiscall这个类型修饰符进行表示，不过写代码时依旧不能使用，只是编译器内部使用）。也就是说，当成员操作符右侧接的是函数类型的偏移类型的数字时，返回一个函数类型的数字（表示其可被施以函数操作符），函数的类型为偏移类型中给出的类型，但这个类型无法表现。即a.AB将返回一个数字，这个数字是函数类型，在VC内部其类型为void ( __thiscall ABC:: )( long )，但这个类型在C++中是非法的。
C++并没有提供类似__thiscall这样的关键字以修饰类型，因为这个类型是要求编译器遇到函数操作符和成员操作符时，如a.AB( 10 );，要将成员操作符左侧的地址作为函数调用的第一个参数传进去，然后再传函数操作符中给出的其余各参数。即这个类型是针对同时出现函数操作符和成员操作符这一特定情况，给编译器提供一些信息以生成正确的代码，而不用于修饰数字（修饰数字就要求能应付所有情况）。即类型是用于修饰数字的，而这个类型不能修饰数字，因此C++并未提供类似__thiscall的关键字。
和之前一样，由于ABC::AB映射的是一个地址，而不是一个偏移值，因此可以ABC::AB;但不能ABC::a;，因为后者是偏移值。根据类型匹配，很容易就知道也可有：
void ( ABC::*p )( long ) = ABC::AB;或void ( ABC::*p )( long ) = &ABC::AB;
进而就有：void ( ABC::**pP )( long ) = &p; ( c.**pP )( 10.0f );。之所以加括号是因为函数操作符的优先级较“*”高。再回想前篇说过指针类型的转换只是类型变化，数值不变（下篇说明数值变化的情况），因此可以有如下代码，这段代码毫无意义，在此仅为加深对成员函数的理解。
struct ABC { long a; void AB( long ); };
void ABC::AB( long d )
{
this->a = d;
}
struct AB
{
short a, b;
void ABCD( short tem1, short tem2 );
void ABC( long tem );
};
void AB::ABCD( short tem1, short tem2 )
{
a = tem1; b = tem2;
}
void AB::ABC( long tem )
{
a = short( tem / 10 );
b = short( tem - tem / 10 );
}
void main()
{
ABC a, b, c; AB d;
( c.*( void ( ABC::* )( long ) )&AB::ABC )( 43 );
( b.*( void ( ABC::* )( long ) )&AB::ABCD )( 0XABCDEF12 );
( d.*( void ( AB::* )( short, short ) )ABC::AB )( 0XABCD, 0XEF12 );
}
上面执行后，c.a为0X00270004，b.a为0X0000EF12，d.a为0XABCD，d.b为0XFFFF。对于c的函数调用，由于AB::ABC映射的地址被直接转换类型进而直接被使用，因此程序将跳到AB::ABC处的a = short( tem / 10 );开始执行，而参数tem映射的是传递参数的内存的首地址，并进而用long类型解释而得到tem为43，然后执行。注意b = short( tem - tem / 10 );实际是this->b = short( tem - tem / 10 );，而this的值为c对应的地址，但在这里被认为是AB*类型（因为在函数AB::ABC的函数体内），所以才能this->b正常（ABC结构中没有b这个成员变量），而b的偏移为2，所以上句执行完后将结果39存放到c的地址加2所对应的内存，并且以short类型解释而得到的16位的二进制数存放。对于a = short( tem / 10 );也做同样事情，故最后得c.a的值为0X0027004（十进制39转成十六进制为0X27）。
同样，对于b的调用，程序将跳到AB::ABCD，但生成的b的调用代码时，将参数0XABCDEF12按照参数类型为long的格式记录在传递参数的内存中，然后跳到AB::ABCD。但编译AB::ABCD时又按照参数为两个short类型来映射参数tem1和tem2对应的地址，因此容易想到tem1的值将为0XEF12，tem2的值为0XABCD，但实际并非如此。参数如何传递由之前说的函数调用规则决定，函数调用的具体实现细节在《C++从零开始（十五）》中说明，这里只需了解到成员函数映射的仍然是地址，而它的类型决定了如何使用它，后面说明。


声明的含义

前面已经解释过声明是什么意思，在此由于成员函数的定义规则这种新的定义语法，必须重新考虑声明的意思。注意一点，前面将一个函数的定义放到main函数定义的前面就可以不用再声明那个函数了；同样如果定义了某个变量，就不用再声明那个变量了。这也就是说定义语句具有声明的功能，但上面成员函数的定义语句却不具有声明的功能，下面来了解声明的真正意思。
声明是要求编译器产生映射元素的语句。所谓的映射元素，就是前面介绍过的变量及函数，都只有3栏（或3个字段）：类型栏、名字栏和地址栏（成员变量类型的这一栏就放偏移值）。即编译器每当看到声明语句，就生成一个映射元素，并且将对应的地址栏空着，然后留下一些信息以告诉连接器——此.obj文件（编译器编译源文件后生成的文件，对于VC是.obj文件）需要一些符号，将这些符号找到后再修改并完善此.obj文件，最后连接。
回想之前说过的符号的意思，它就是一字符串，用于编译器和连接器之间的通信。注意符号没有类型，因为连接器只是负责查找符号并完善（因为有些映射元素的地址栏还是空的）中间文件（对于VC就是.obj文件），不进行语法分析，也就没有什么类型。
定义是要求编译器填充前面声明没有书写的地址栏。也就是说某变量对应的地址，只有在其定义时才知道。因此实际的在栈上分配内存等工作都是由变量的定义完成的，所以才有声明的变量并不分配内存。但应注意一个重点，定义是生成映射元素需要的地址，因此定义也就说明了它生成的是哪个映射元素的地址，而如果此时编译器的映射表（即之前说的编译器内部用于记录映射元素的变量表、函数表等）中没有那个映射元素，即还没有相应元素的声明出现过，那么编译器将报错。
但前面只写一个变量或函数定义语句，它照样正常并没有报错啊？实际很简单，只需要将声明和定义看成是一种语句，只不过是向编译器提供的信息不同罢了。如：void ABC( float );和void ABC( float ){}，编译器对它们相同看待。前者给出了函数的类型及类型名，因此编译器就只填写映射元素中的名字和类型两栏。由于其后只接了个“;”，没有给出此函数映射的代码，因此编译器无法填写地址栏。而后者，给出了函数名、所属类型以及映射的代码（空的复合语句），因此编译器得到了所有要填写的信息进而将三栏的信息都填上了，结果就表现出定义语句完成了声明的功能。
对于变量，如long a;。同上，这里给出了类型和名字，因此编译器填写了类型和名字两栏。但变量对应的是栈上的某块内存的首地址，这个首地址无法从代码上表现出来（前面函数就通过在函数声明的后面写复合语句来表现相应函数对应的代码所在的地址），而必须由编译器内部通过计算获得，因此才硬性规定上面那样的书写算作变量的定义，而要变量的声明就需要在前面加extern。即上面那样将导致编译器进行内部计算进而得出相应的地址而填写了映射元素的所有信息。
上面难免显得故弄玄虚，那都是因为自定义类型的出现。考虑成员变量的定义，如：
struct ABC { long a, b; double c; };
上面给出了类型——long ABC::、long ABC::和double ABC::；给出了名字——ABC::a、ABC::b和ABC::c；给出了地址（即偏移）——0、4和8，因为是结构型自定义类型，故由此语句就可以得出各成员变量的偏移。上面得出三个信息，即可以填写映射元素的所有信息，所以上面可以算作定义语句。对于成员函数，如下：
struct ABC { void AB( float ); };
上面给出了类型——void ( ABC:: )( float )；给出了名字——ABC::AB。不过由于没有给出地址，因此无法填写映射元素的所有信息，故上面是成员函数ABC::AB的声明。按照前面说法，只要给出地址就可以了，而无需去管它是定义还是声明，因此也就可以这样：
struct ABC { void AB( float ){} };
上面给出类型和名字的同时，给出了地址，因此将可以完全填写映射元素的所有信息，是定义。上面的用法有其特殊性，后面说明。注意，如果这时再在后面写ABC::AB的定义语句，即如下，将错误：
struct ABC { void AB( float ){} };
void ABC::AB( float ) {}
上面将报错，原因很简单，因为后者只是定义，它只提供了ABC::AB对应的地址这一个信息，但映射元素中的地址栏已经填写了，故编译器将说重复定义。再单独看成员函数的定义，它给出了类型void ( ABC:: )( float )，给出了名字ABC::AB，也给出了地址，但为什么说它只给出了地址这一信息？首先，名字ABC::AB是不符合标识符规则的，而类型修饰符ABC::必须通过类型定义符“{}”才能够加上去，这在前面已多次说明。因此上面给出的信息是：给出了一个地址，这个地址是类型为void ( ABC:: )( float )，名字为ABC::AB的映射元素的地址。结果编译器就查找这样的映射元素，如果有，则填写相应的地址栏，否则报错，即只写一个void ABC::AB( float ){}是错误的，在其前面必须先通过类型定义符“{}”声明相应的映射元素。这也就是前面说的定义仅仅填充地址栏，并不生成映射元素。


声明的作用

定义的作用很明显了，有意义的映射（名字对地址）就是它来做，但声明有什么用？它只是生成类型对名字，为什么非得要类型对名字？它只是告诉编译器不要发出错误说变量或函数未定义？任何东西都有其存在的意义，先看下面这段代码。
extern"C" long ABC( long a, long b );
void main(){ long c = ABC( 10, 20 ); }
假设上面代码在a.cpp中书写，编译生成文件a.obj，没有问题。但按照之前的说明，连接时将错误，因为找不到符号_ABC。因为名字_ABC对应的地址栏还空着。接着在VC中为a.cpp所在工程添加一个新的源文件b.cpp，如下书写代码。
extern"C" float ABC( float a ){ return a; }
编译并连接，现在没任何问题了，但相信你已经看出问题了——函数ABC的声明和定义的类型不匹配，却连接成功了？
注意上面关于连接的说明，连接时没有类型，只管符号。上面用extern"C"使得a.obj要求_ABC的符号，而b.cpp提供_ABC的符号，剩余的就只是连接器将b.obj中_ABC对应的地址放到a.obj以完善a.obj，最后连接a.obj和b.obj。
那么上面什么结果，由于需要考虑函数的实现细节，这在《C++从零开始（十五）》中再说明，而这里只要注意到一件事：编译器即使没有地址也依旧可以生成代码以实现函数操作符的功能——函数调用。之所以能这样就是因为声明时一定必须同时给出类型和名字，因为类型告诉编译器，当某个操作符涉及到某个映射元素时，如何生成代码来实现这个操作符的功能。也就是说，两个char类型的数字乘法和两个long类型的数字乘法编译生成的代码不同；对long ABC( long );的函数调用代码和void ABC( float )的不同。即，操作符作用的数字类型的不同将导致编译器生成的代码不同。
那么上面为什么要将ABC的定义放到b.cpp中？因为各源文件之间的编译是独立的，如果放在a.cpp，编译器就会发现已经有这么个映射元素，但类型却不匹配，将报错。而放到b.cpp中，使得由连接器来完善a.obj，到时将没有类型的存在，只管符号。下面继续。
struct ABC { long a, b; void AB( long tem1, long tem2 ); void ABCD(); };
void main(){ ABC a; a.AB( 10, 20 ); }
由上面的说法，这里虽然没有给出ABC::AB的定义，但仍能编译成功，没有任何问题。仍假设上面代码在a.cpp中，然后添加b.cpp，在其中书写下面的代码。
struct ABC { float b, a; void AB( long tem1, long tem2 ); long ABCD( float ); };
void ABC::AB( long tem1, long tem2 ){ a = tem1; b = tem2; }
这里定义了函数ABC::AB，注意如之前所说，由于这里的函数定义仅仅只是定义，所以必须在其前面书写类型定义符“{}”以让编译器生成映射元素。但更应该注意这里将成员变量的位置换了，这样b就映射的是0而a映射的是4了，并且还将a、b的类型换成了float，更和a.cpp中的定义大相径庭。但没有任何问题，编译连接成功，a.AB( 10,20 );执行后a.a为0X41A00000，a.b为0X41200000，而*( float* )&a.a为20，*( flaot* )&a.b为10。
为什么？因为编译器只在当前编译的那个源文件中遵循类型匹配，而编译另一个源文件时，编译其他源文件所生成的映射元素全部无效。因此声明将类型和名字绑定起来，而名字就代表了其所关联的类型的地址类型的数字，而后继代码中所有操作这个数字的操作符的编译生成都将受这个数字的类型的影响。即声明是告诉编译器如何生成代码的，其不仅仅只是个语法上说明变量或函数的语句，它是不可或缺的。
还应注意上面两个文件中的ABC::ABCD成员函数的声明不同，而且整个工程中（即a.cpp和b.cpp中）都没有ABC::ABCD的定义，却仍能编译连接成功，因为声明并不是告诉编译器已经有什么东西了，而是如何生成代码。


头文件

上面已经说明，如果有个自定义类型ABC，在a.cpp、b.cpp和c.cpp中都要使用它，则必须在a.cpp、b.cpp和c.cpp中，各自使用ABC之前用类型定义符“{}”重新定义一遍这个自定义类型。如果不小心如上面那样在a.cpp和b.cpp中写的定义不一样，则将产生很难查找的错误。为此，C++提供了一个预编译指令来帮忙。
预编译指令就是在编译之前执行的指令，它由预编译器来解释执行。预编译器是另一个程序，一般情况，编译器厂商都将其合并进了C++编译器而只提供一个程序。在此说明预编译指令中的包含指令——#include，其格式为#include <文件名>。应注意预编译指令都必须单独占一行，而<文件名>就是一个用双引号或尖括号括起来的文件名，如：#include "abc.c"、#include "C:\abc.dsw"或#include 。它的作用很简单，就是将引号或尖括号中书写的文件名对应的文件以ANSI格式或MBCS格式（关于这两个格式可参考《C++从零开始（五）》）解释，并将内容原封不动地替换到#include所在的位置，比如下面是文件abc的内容。
struct ABC { long a, b; void AB( long tem1, long tem2 ); };
则前面的a.cpp可改为：
#include "abc"
void main() { ABC a; a.AB( 10, 20 ); }
而b.cpp可改为：
#include "abc"
void ABC::AB( long tem1, long tem2 ){ a = tem1; b = tem2; }
这时，就不会出现类似上面那样在b.cpp中将自定义类型ABC的定义写错了而导致错误的结果（a.a为0X41A00000，a.b为0X41200000），进而a.AB( 10, 20 );执行后，a.a为10，a.b为20。
注意这里使用的是双引号来括住文件名的，它表示当括住的只是一个文件名或相对路径而没有给出全路径时，如上面的abc，则先搜索此时被编译的源文件所在的目录，然后搜索编译器自定的包含目录（如：C:\Program Files\Microsoft Visual Studio .NET 2003\Vc7\include等），里面一般都放着编译器自带的SDK的头文件（关于SDK，将在《C++从零开始（十八）》中说明），如果仍没有找到，则报错（注意，一般编译器都提供了一些选项以使得除了上述的目录外，还可以再搜索指定的目录，不同的编译器设定方式不同，在此不表）。
如果是用尖括号括起来，则表示先搜索编译器自定的包含目录，再源文件所在目录。为什么要不同？只是为了防止自己起的文件名正好和编译器的包含目录下的文件重名而发生冲突，因为一旦找到文件，将不再搜索后继目录。
所以，一般的C++代码中，如果要用到某个自定义类型，都将那个自定义类型的定义分别装在两个文件中，对于上面结构ABC，则应该生成两个文件，分别为ABC.h和ABC.cpp，其中的ABC.h被称作头文件，而ABC.cpp则称作源文件。头文件里放的是声明，而源文件中放的是定义，则ABC.h的内容就和前面的abc一样，而ABC.cpp的内容就和b.cpp一样。然后每当工程中某个源文件里要使用结构ABC时，就在那个源文件的开头包含ABC.h，这样就相当于将结构ABC的所有相关声明都带进了那个文件的编译，比如前面的a.cpp就通过在开头包含abc以声明了结构ABC。
为什么还要生成一个ABC.cpp？如果将ABC::AB的定义语句也放到ABC.h中，则a.cpp要使用ABC，c.cpp也要使用ABC，所以a.cpp包含ABC.h，由于里面的ABC::AB的定义，生成一个符号?AB@ABC@@QAEXJJ@Z（对于VC）；同样c.cpp的编译也要生成这个符号，然后连接时，由于出现两个相同的符号，连接器无法确定使用哪一个，报错。因此专门定义一个ABC.cpp，将函数ABC::AB的定义放到ABC.obj中，这样将只有一个符号生成，连接时也就不再报错。
注意上面的struct ABC { void AB( float ){} };。如果将这个放在ABC.h中，由于在类型定义符中就已经将函数ABC::AB的定义给出，则将会同上，出现两个相同的符号，然后连接失败。为了避开这个问题，C++规定如上在类型定义符中直接书写函数定义而定义的函数是inline函数，出于篇幅，下篇介绍。


成员的意义

上面从语法的角度说明了成员函数的意思，如果很昏，不要紧，实现不能理解并不代表就不能运用，而程序员重要的是对语言的运用能力而不是语言的了解程度（虽然后者也很重要）。下面说明成员的语义。
本文一开头提出了一种语义——某种资源具有的功能，而C++的自定义类型再加上成员操作符“.”和“->”的运用，从代码上很容易的就表现出一种语义——从属关系。如：a.b、c.d分别表示a的b和c的d。某种资源具有的功能要映射到C++中，就应该将这种资源映射成一自定义类型，而它所具有的功能就映射成此自定义类型的成员函数，如最开始提到的怪物和玩家，则如下：
struct Player { float Life; float Attack; float Defend; };
struct Monster { float Life; float Attack; float Defend; void AttackPlayer( Player &pla ); };
Player player; Monster a; a.AttackPlayer( player );
上面的语义就非常明显，代码执行的操作是怪物a攻击玩家player，而player.Life就代表玩家player的生命值。假设如下书写Monster::AttackPlayer的定义：
void Monster::AttackPlayer( Player &pla )
{
pla.Life -= Attack - pla.Defend;
}
上面的语义非常明显：某怪物攻击玩家的方法就是将被攻击的玩家的生命值减去自己的攻击力减被攻击的玩家的防御力的值。语义非常清晰，代码的可读性好。而如原来的写法：
void MonsterAttackPlayer( Monster &mon, Player &pla )
{
pla.Life -= mon.Attack - pla.Defend;
}
则代码表现的语义：怪物攻击玩家是个操作，此操作需要操作两个资源，分别为怪物类型和玩家类型。这个语义就没表现出我们本来打算表现的想法，而是怪物的攻击功能的另一种解释（关于这点，将在《C++从零开始（十二）》中详细阐述），其更适合表现收银工作。比如收银台实现的是收钱的工作，客户在柜台买了东西，由营业员开出单据，然后客户将单据拿到收银台交钱。这里收银台的工作就需要操作两个资源——钱和单据，这时就应该将收钱这个工作映射为如上的函数而不是成员函数，因为在这个算法中，收银台没有被映射成自定义类型的必要性，即我们对收银的工作由谁做不关心，只关心它如何做。
至此介绍完了自定义类型的一半内容，通过这些内容已经可以编写出能体现较复杂语义的代码了，下篇将说明自定义类型的后半内容，它们的提出根本可以认为就是语义的需要，所以下篇将从剩余内容是如何体现语义的来说明，不过依旧要说明各自是如何实现的。