面向對象編程：C++中的類和對象

面向對象編程是一種程序設計範式，它將真實世界的概念抽象為對象，並通過對象之間的交互來實現程序功能。C++是一種支持面向對象編程的編程語言，其中類和對象是面向對象編程的核心概念。

一、類和對象的概念

類是一種抽象數據類型，它描述了一組具有相同特徵和行為的對象。類定義了對象的屬性和方法。對象是類的一個實例，它具有類定義的所有屬性和方法。例如，人類可以被描述為一個類，而每個人則是這個類的一個對象。

C++中定義類的語法如下：

class className {
public:
    // 屬性和方法
}

其中，className是類的名稱，public表示該類的屬性和方法可以被其他類訪問。

定義類的屬性和方法類似於定義變量和函數：

class Person {
public:
    string name;
    int age;
    void sayHello() {
        cout << "Hello, my name is " << name << ", I'm " << age << " years old." << endl;
    }
};

上面的代碼定義了一個Person類，其中包含了name和age兩個屬性，以及一個sayHello()方法。這個方法用於輸出「Hello, my name is xxx, I’m xxx years old.」。

聲明一個對象的語法為：

className objectName;

其中，className是類名稱，objectName是對象名稱。例如，我們可以聲明一個Person對象：

Person p1;

這個對象p1將具有Person類定義的所有屬性和方法。

二、類的訪問修飾符

C++中，類的訪問修飾符用於控制類的屬性和方法的訪問級別。C++中有三種訪問修飾符，分別是public、private和protected。它們的區別如下：

• public屬性和方法可以被任何類訪問。
• private屬性和方法只能被本類中的方法訪問，不能被其他類訪問。
• protected屬性和方法可以在本類和子類中訪問，但不能在其他類中直接訪問。

下面是示例代碼，演示使用不同的訪問修飾符：

class Person {
    public:
        string name;        // public屬性
        void sayHello() {   // public方法
            cout << "Hello, my name is " << name << endl;
        }
    private:
        int age;            // private屬性
        void setAge(int a) {// private方法
            age = a;
        }
    protected:
        string address;     // protected屬性
};

class Student : public Person {
public:
    void setAddress(string a) {
        address = a;        // 可以訪問父類的protected屬性
    }
};

int main() {
    Person p1;
    p1.name = "Jane";
    p1.sayHello();
    // p1.age = 20;        // 錯誤：不能訪問private屬性
    // p1.setAge(20);      // 錯誤：不能訪問private方法

    Student s1;
    s1.setAddress("Beijing");
    // s1.age = 20;        // 錯誤：不能訪問父類的private屬性
    // s1.setAge(20);      // 錯誤：不能訪問父類的private方法

    return 0;
}

上面的代碼演示了Person類和Student類的定義，以及訪問修飾符的使用。在Main函數中，我們可以看到，公共屬性和方法可以在任何地方訪問，私有屬性和方法只能在本類中訪問，而受保護屬性和方法可以在本類和子類中訪問。

三、構造函數和析構函數

構造函數和析構函數是面向對象編程中的重要概念，它們分別用於創建和銷毀對象。

構造函數是一個特殊的方法，用於在創建對象時初始化對象的屬性。C++中的構造函數名稱與類名相同，在定義過程中沒有返回值類型，例如：

class Person {
public:
    Person(string n, int a) {  // 構造函數
        name = n;
        age = a;
    }
    void sayHello() {
        cout << "Hello, my name is " << name << ", I'm " << age << " years old." << endl;
    }
private:
    string name;
    int age;
};

上面的代碼定義了一個Person類，其中有一個構造函數，用於在創建Person對象時初始化對象的屬性。構造函數的參數是待初始化的屬性值。

類似的，析構函數也是一個特殊的方法，用於在銷毀對象時釋放對象的資源。C++中的析構函數名稱與類名相同，但在名稱前面加上一個波浪線（~），例如：

class Person {
public:
    Person(string n, int a) {
        name = n;
        age = a;
    }
    ~Person() {     // 析構函數
        cout << "Person object is destroyed." << endl;
    }
    void sayHello() {
        cout << "Hello, my name is " << name << ", I'm " << age << " years old." << endl;
    }
private:
    string name;
    int age;
};

在上面的代碼中，析構函數用於在銷毀Person對象時輸出一條消息。

四、static成員變量和方法

類的static成員變量和方法是屬於整個類而不是某個對象的。static成員變量和方法可以在對象創建之前就存在，因此它們可以在沒有對象的情況下直接訪問。例如：

class Person {
public:
    static int count;  // 定義一個靜態成員變量
    Person(string n, int a) {
        name = n;
        age = a;
        count++;        // 靜態成員變量count加1
    }
    ~Person() {
        count--;        // 靜態成員變量count減1
    }
    static void getCount() {    // 定義一個靜態成員方法
        cout << "count = " << count << endl;
    }
private:
    string name;
    int age;
};

int Person::count = 0;  // 靜態成員變量需要在類外進行初始化

int main() {
    Person p1("John", 20);
    Person::getCount(); // 靜態方法可以通過類名來調用
    Person p2("Jane", 22);
    Person::getCount();
    Person p3("Mary", 25);
    Person::getCount();
    return 0;
}

上面的代碼演示了如何定義和使用靜態成員變量和方法。在Person類定義中，我們定義了一個靜態成員變量count和一個靜態方法getCount()。在Main函數中，我們創建了三個Person對象，每次創建對象都會使count加1。通過調用靜態方法getCount()，我們可以輸出count的值。

五、繼承

繼承是面向對象編程中的一個重要概念，它可以讓一個類繼承另一個類的屬性和方法，從而避免代碼重複。在C++中使用”:”符號表示繼承關係，例如：

class Student : public Person {    // Student類繼承自Person類
public:
    string school;
    void study() {
        cout << name << " is studying in " << school << endl;
    }
};

int main() {
    Student s1;
    s1.name = "John";
    s1.age = 20;
    s1.school = "MIT";
    s1.sayHello();
    s1.study();
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們創建了一個Student類，並讓它繼承自Person類。由於繼承了Person類，Student類可以使用Person類中的屬性和方法。在Main函數中，我們創建一個Student對象s1，並為它設置屬性值。通過調用sayHello()和study()方法，我們可以輸出一些信息。

六、多態

多態是C++中面向對象編程的重要概念，它指的是同一種行為具有多種不同的表現形式。多態性是面向對象程序設計的一個重要的特點，它可以提高程序的靈活性和可維護性。

C++中多態的實現方式有兩種，分別是函數重載和虛函數。

函數重載是指在同一個類中，可以定義多個名稱相同但參數類型和個數不同的函數。例如：

class Calculator {
public:
    int add(int a, int b) {
        cout << "Addition of two integers: ";
        return a + b;
    }
    float add(float a, float b) {
        cout << "Addition of two floats: ";
        return a + b;
    }
};

int main() {
    Calculator c1;
    cout << c1.add(3, 5) << endl;       // 輸出8
    cout << c1.add(3.1f, 5.7f) << endl; // 輸出8.8
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個Calculator類，並在其中定義了兩個名稱相同但參數類型和個數不同的add()方法。在Main函數中，我們分別調用兩個add()方法，並輸出計算結果。由於參數類型和個數不同，因此C++可以識別出應該調用哪個add()方法。

虛函數是指在基類中定義一個虛函數，在派生類中可以對該虛函數進行重定義。虛函數的定義方式為，在函數前加上關鍵字virtual，例如：

class Shape {
public:
    virtual float area() { return 0; }
    virtual float perimeter() { return 0; }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(float l, float w) {
        length = l;
        width = w;
    }
    float area() { return length * width; }
    float perimeter() { return 2 * (length + width); }
private:
    float length;
    float width;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(float r) {
        radius = r;
    }
    float area() { return PI * radius * radius; }
    float perimeter() { return 2 * PI * radius; }
private:
    float radius;
    const float PI = 3.1415926;
};

int main() {
    Shape* s1;
    Rectangle r1(3, 4);
    Circle c1(2);
    s1 = &r1;
    cout << "Rectangle area: " <area() << endl;
    cout << "Rectangle perimeter: " <perimeter() << endl;
    s1 = &c1;
    cout << "Circle area: " <area() << endl;
    cout << "Circle perimeter: " <perimeter() << endl;
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個Shape類，並在其中定義了一個虛函數area()和perimeter()。在Rectangle和Circle類中，我們分別對這兩個方法進行了重定義。在Main函數中，我們聲明了一個Shape指針s1，指向一個Rectangle對象r1。然後我們調用了s1的area()和perimeter()方法，由於Shape類中的area()和perimeter()方法是虛函數，在運行時會根據對象的類型調用相應的方法，因此輸出的結果分別是Rectangle類和Circle類中的方法返回值。這就是多態性的體現。