C++学习笔记——类作用域和抽象数据类型
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一、C++类作用域
在C++中，类作用域是指类定义中声明的标识符（成员变量、成员函数、嵌套类等）所存在的范围。类作用域可以分为两个部分：类内作用域和类外作用域。
-
类内作用域
- 在类定义的内部，成员变量和成员函数的声明和定义都处于类内作用域。
- 在类内部，可以直接访问类中定义的其他成员，无需使用限定符。
- 类内部的成员函数可以直接访问类的私有成员。
-
类外作用域
- 在类定义的外部，对类成员的访问需要使用类名和作用域解析运算符（::）来限定。
- 类外部可以定义成员函数的实现，实现时需要使用类名和作用域解析运算符来指明成员函数所属的类。
- 类外部的函数可以访问公有成员，但不能直接访问私有成员。
下面是一个示例，展示了类内作用域和类外作用域的使用：
class MyClass {
public:
int publicMember; // 公有成员变量
void memberFunction() {
privateMember = 10; // 在类内部可以直接访问私有成员变量
}
private:
int privateMember; // 私有成员变量
};
void MyClass::memberFunction() {
publicMember = 20; // 在类外部的成员函数中，使用作用域解析运算符来访问公有成员变量
privateMember = 30; // 在类外部的成员函数中，使用作用域解析运算符来访问私有成员变量
}
int main() {
MyClass obj;
obj.publicMember = 40; // 在类外部，使用对象和作用域解析运算符来访问公有成员变量
return 0;
}
在上述示例中，MyClass类包含一个公有成员变量publicMember和一个私有成员变量privateMember。memberFunction是一个成员函数，它在类内部和类外部都有定义。
在类内部的成员函数中，可以直接访问类的私有成员变量privateMember。在类外部的成员函数中，需要使用作用域解析运算符来访问类的成员变量。在main函数中，我们创建了一个MyClass对象obj，并使用对象和作用域解析运算符来访问公有成员变量publicMember。
通过类作用域的概念，我们可以在类定义中方便地组织和访问成员变量和成员函数，并控制它们的可访问性。
二、类作用域案列详细的解释说明
如何使用类和对象来实现一个学生信息管理系统。该系统可以添加学生信息、显示学生信息和计算学生平均分。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Student {
private:
string name;
int age;
float score;
public:
Student(string n, int a, float s) {
name = n;
age = a;
score = s;
}
void displayInfo() {
cout << "Name: " << name << endl;
cout << "Age: " << age << endl;
cout << "Score: " << score << endl;
}
float getScore() {
return score;
}
};
class StudentManager {
private:
Student* students;
int size;
public:
StudentManager(int maxSize) {
students = new Student[maxSize];
size = 0;
}
~StudentManager() {
delete[] students;
}
void addStudent(string name, int age, float score) {
students[size] = Student(name, age, score);
size++;
}
void displayAllStudents() {
for (int i = 0; i < size; i++) {
students[i].displayInfo();
cout << endl;
}
}
float calculateAverageScore() {
float totalScore = 0;
for (int i = 0; i < size; i++) {
totalScore += students[i].getScore();
}
return totalScore / size;
}
};
int main() {
StudentManager manager(5);
manager.addStudent("Alice", 20, 85.5);
manager.addStudent("Bob", 21, 78.2);
manager.addStudent("Charlie", 19, 92.0);
cout << "All Students:" << endl;
manager.displayAllStudents();
float averageScore = manager.calculateAverageScore();
cout << "Average Score: " << averageScore << endl;
return 0;
}
这个案例中，我们定义了两个类：Student和StudentManager。
Student类表示一个学生对象，包含了学生的姓名、年龄和成绩。它具有一个构造函数用于初始化学生对象，一个displayInfo函数用于显示学生信息，以及一个getScore函数用于获取学生的成绩。
StudentManager类表示一个学生信息管理器，用于添加学生，显示所有学生信息和计算学生平均分。它使用动态内存分配来创建一个可变大小的学生对象数组，并通过addStudent函数将新的学生对象添加到数组中。displayAllStudents函数用于遍历数组并显示每个学生的信息。calculateAverageScore函数用于计算所有学生的平均分。
在主函数main中，我们创建了一个StudentManager对象manager，并使用addStudent函数添加了三个学生信息。然后，我们使用displayAllStudents函数显示所有学生的信息，并使用calculateAverageScore函数计算学生的平均分，并将结果打印出来。
这个案例展示了如何使用类和对象来组织和管理学生信息。通过类和对象的封装特性，我们可以方便地对学生信息进行操作和处理。
三、抽象数据类型
抽象数据类型（Abstract Data Type，ADT）是一种数学模型，用于描述数据对象的逻辑特性和对其进行操作的运算集合。在编程语言中，ADT是一种通过封装数据和操作来定义数据类型的方式，它将数据的表示和操作与实现细节相分离。
ADT包含两个主要组成部分：
-
数据对象：数据对象是指具有相同性质和操作的元素的集合。它们可以是简单的数据类型（如整数、浮点数、字符等），也可以是复杂的数据结构（如数组、链表、树等）。
-
操作集合：操作集合定义了对数据对象进行的操作或行为。这些操作可以是创建、初始化、访问、修改、删除等。每个操作都有一个名称和一组参数，用于操作数据对象。
ADT的设计目标是将数据类型的实现细节隐藏起来，使用户只能通过操作集合来访问和操作数据对象，而无需关心具体的实现细节。这样可以提高代码的可读性、可维护性和可重用性。
举个例子，我们可以以栈（Stack）为例来说明ADT的概念：
class Stack {
private:
int* elements;
int top;
int maxSize;
public:
Stack(int size) {
elements = new int[size];
top = -1;
maxSize = size;
}
~Stack() {
delete[] elements;
}
void push(int value) {
if (top < maxSize - 1) {
top++;
elements[top] = value;
}
}
int pop() {
if (top >= 0) {
int value = elements[top];
top--;
return value;
}
return -1;
}
bool isEmpty() {
return top == -1;
}
};
在这个例子中，我们定义了一个抽象数据类型Stack，它表示一个栈数据结构。栈是一种具有后进先出（LIFO）特性的数据结构，可以使用push操作将元素压入栈顶，使用pop操作从栈顶取出元素。
在Stack类中，我们使用一个动态分配的整型数组elements来存储栈中的元素，使用变量top来标记栈顶位置，使用变量maxSize来表示栈的最大容量。通过push函数向栈中压入元素，通过pop函数从栈中取出元素，通过isEmpty函数判断栈是否为空。
通过这个例子，我们可以看到，使用抽象数据类型可以将数据结构的实现细节隐藏起来，用户只需关心如何使用操作集合来操作数据对象，而无需关心底层的实现细节。这样可以提高代码的可读性和可维护性，同时也方便了代码的重用和扩展。
四、总结
总结一下类作用域和抽象数据类型的主要内容
-
类作用域
- 类作用域是指在类定义中声明的变量、函数和类型的可见性范围。
- 在类作用域内部，成员变量和成员函数可以直接访问，无需使用任何限定符。
- 类作用域可以通过访问修饰符（public、private、protected）来控制成员的可访问性。
- 类作用域内的成员可以被类的对象访问和操作。
-
抽象数据类型（ADT）
- ADT是一种通过封装数据和操作来定义数据类型的方式，将数据的表示和操作与实现细节相分离。
- ADT包含一个数据对象和一组操作集合，其中数据对象是具有相同性质和操作的元素的集合，操作集合定义了对数据对象进行的操作或行为。
- ADT的设计目标是隐藏数据类型的实现细节，使用户只能通过操作集合来访问和操作数据对象，而无需关心具体的实现细节。
- ADT可以提高代码的可读性、可维护性和可重用性，同时也帮助管理复杂的数据结构和操作。
类作用域和抽象数据类型是面向对象编程中的重要概念。类作用域帮助管理类内部的成员访问和可见性，而抽象数据类型则提供了一种将数据和操作封装在一起的方式，使用户能够以更高层次的抽象来处理数据对象。这些概念在软件开发中起到了重要的作用，可以提高代码的可维护性、可扩展性和可重用性。
五、图书馆管理系统
一个经典的案例是实现一个图书管理系统。这个系统可以用来管理图书馆的图书信息，包括图书的名称、作者、出版日期等信息，并提供借阅和归还图书的功能。
下面是一个简化版本的图书管理系统的示例：
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
class Book {
private:
std::string title;
std::string author;
int publicationYear;
bool borrowed;
public:
Book(const std::string& bookTitle, const std::string& bookAuthor, int year)
: title(bookTitle), author(bookAuthor), publicationYear(year), borrowed(false) {}
std::string getTitle() const {
return title;
}
std::string getAuthor() const {
return author;
}
int getPublicationYear() const {
return publicationYear;
}
bool isBorrowed() const {
return borrowed;
}
void borrowBook() {
if (!borrowed) {
borrowed = true;
std::cout << "Successfully borrowed the book: " << title << std::endl;
} else {
std::cout << "The book is already borrowed." << std::endl;
}
}
void returnBook() {
if (borrowed) {
borrowed = false;
std::cout << "Successfully returned the book: " << title << std::endl;
} else {
std::cout << "The book is not currently borrowed." << std::endl;
}
}
};
class Library {
private:
std::vector<Book> books;
public:
void addBook(const Book& book) {
books.push_back(book);
}
void listBooks() const {
for (const auto& book : books) {
std::cout << "Title: " << book.getTitle() << ", Author: " << book.getAuthor()
<< ", Publication Year: " << book.getPublicationYear()
<< ", Borrowed: " << (book.isBorrowed() ? "Yes" : "No") << std::endl;
}
}
void borrowBook(const std::string& title) {
for (auto& book : books) {
if (book.getTitle() == title) {
book.borrowBook();
return;
}
}
std::cout << "The book '" << title << "' is not available in the library." << std::endl;
}
void returnBook(const std::string& title) {
for (auto& book : books) {
if (book.getTitle() == title) {
book.returnBook();
return;
}
}
std::cout << "The book '" << title << "' is not available in the library." << std::endl;
}
};
int main() {
Library library;
Book book1("The Great Gatsby", "F. Scott Fitzgerald", 1925);
Book book2("To Kill a Mockingbird", "Harper Lee", 1960);
Book book3("1984", "George Orwell", 1949);
library.addBook(book1);
library.addBook(book2);
library.addBook(book3);
library.listBooks();
library.borrowBook("To Kill a Mockingbird");
library.borrowBook("The Great Gatsby");
library.listBooks();
library.returnBook("To Kill a Mockingbird");
library.listBooks();
return 0;
}
这个案例中，我们定义了两个类：Book和Library。Book类表示一本书，包含了书的相关信息和借阅状态。Library类表示图书馆，包含了图书的集合和相关的操作方法。
在主函数中，我们创建了几本书，并将它们添加到图书馆中。然后，我们展示了图书馆中的所有书籍，并进行了一些借阅和归还操作。
这个案例虽然简化了实际的图书管理系统，但是它演示了如何使用类来管理对象的数据和行为，并展示了类之间的交互。这个案例可以作为一个起点，可以根据需求进一步扩展和完善图书管理系统的功能。
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