C++ 类与对象：封装特性的实现与实战应用

二、封装的本质：访问权限控制

封装是面向对象三大特性之一，核心是通过访问权限修饰符隐藏类的内部实现细节，只对外暴露必要的接口，提高代码的安全性和可维护性。

C++ 提供了三种访问权限修饰符，作用域从修饰符出现位置开始，到下一个修饰符或类结束为止。

2.1 三种访问权限

注意事项：类的默认访问权限是 private，结构体 struct 的默认访问权限是 public。

2.2 访问权限的代码演示

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Person {
    // 默认 private
    string addr = "北京市";
private:
    string name;
    int age;
public:
    void setInfo(string n, int a) {
        // 类内可以访问 private 成员变量
        name = n;
        age = a;
    }
    void showInfo() {
        cout << "姓名：" << name << " 年龄：" << age << " 地址：" << addr << endl;
    }
};

int main() {
    Person p;
    p.setInfo("王五", 30);
    p.showInfo();
    
    // 错误：name 是 private 成员，类外无法访问
    // p.name = "赵六";
    
    // 错误：addr 是默认 private 成员，类外无法访问
    // p.addr = "上海市";
    
    return 0;
}

三、构造函数与析构函数：对象的生命周期管理

构造函数负责对象的初始化，析构函数负责对象的清理工作，二者均由编译器自动调用，无需手动触发。

3.1 构造函数

3.1.1 构造函数的特性

• 函数名与类名完全相同，没有返回值类型，连 void 都不能写。
• 对象实例化时自动调用，且只调用一次。
• 可以重载，支持不同方式的初始化。
• 如果没有手动定义构造函数，编译器会自动生成一个空参构造函数。

3.1.2 构造函数的分类与实现

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Person {
private:
    string name;
    int age;
public:
    // 1. 空参构造函数（默认构造函数）
    Person() {
        cout << "空参构造函数被调用" << endl;
        name = "未知";
        age = 0;
    }

    // 2. 有参构造函数
    Person(string n, int a) {
        cout << "有参构造函数被调用" << endl;
        name = n;
        age = a;
    }

    // 3. 拷贝构造函数（用已有对象初始化新对象）
    Person(const Person &p) {
        cout << "拷贝构造函数被调用" << endl;
        name = p.name;
        age = p.age;
    }

    void showInfo() {
        cout << "姓名：" << name << " 年龄：" << age << endl;
    }
};

// 构造函数的调用方式
int main() {
    // 方式 1：括号法
    Person p1;              // 调用空参构造
    Person p2("张三", 20);  // 调用有参构造
    Person p3(p2);          // 调用拷贝构造

    // 方式 2：显示法
    Person p4 = Person();
    Person p5 = Person("李四", 25);

    // 方式 3：隐式转换法（不推荐）
    Person p6 = {"王五", 30};

    p1.showInfo();
    p2.showInfo();
    return 0;
}

注意事项：使用括号法调用空参构造时，不能写 Person p1()，这会被编译器识别为函数声明，而非对象实例化。

3.2 析构函数

3.2.1 析构函数的特性

• 函数名以 ~ 开头，后跟类名，没有返回值类型，也没有参数。
• 对象销毁时自动调用，且只调用一次。
• 不能重载，一个类只能有一个析构函数。
• 如果没有手动定义析构函数，编译器会自动生成一个空析构函数。

3.2.2 析构函数的实战价值

析构函数常用于释放对象占用的动态资源，如堆内存、文件句柄等，避免内存泄漏。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Student {
private:
    string *name; // 堆内存指针
    int age;
public:
    // 有参构造：分配堆内存
    Student(string n, int a) {
        cout << "有参构造函数被调用" << endl;
        name = new string(n); // 堆上分配字符串
        age = a;
    }

    // 析构函数：释放堆内存
    ~Student() {
        cout << "析构函数被调用" << endl;
        if (name != nullptr) {
            delete name;      // 释放堆内存
            name = nullptr;   // 防止野指针
        }
    }

    void showInfo() {
        cout << "姓名：" << *name << " 年龄：" << age << endl;
    }
};

int main() {
    // 栈对象：函数结束时自动销毁，触发析构函数
    Student s1("小明", 18);
    s1.showInfo();

    // 堆对象：手动 delete 时触发析构函数
    Student *s2 = new Student("小红", 17);
    s2->showInfo();
    delete s2;
    s2 = nullptr;
    return 0;
}

四、封装的实战案例：设计一个圆形类

需求：设计一个圆形类 Circle，包含半径属性，提供设置半径、计算面积、计算周长的功能，要求通过封装隐藏半径的直接访问，确保半径的合法性。

4.1 需求分析

1. 成员变量：半径 radius，设置为 private，避免外部直接修改。
2. 成员函数：
   • setRadius(double r)：设置半径，需校验半径是否大于 0。
   • getRadius()：获取半径，对外提供只读接口。
   • getArea()：计算圆的面积，公式：S = πr²。
   • getPerimeter()：计算圆的周长，公式：C = 2πr。
3. 构造函数：提供空参和有参构造，初始化半径。

4.2 完整代码实现

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

// 定义圆周率常量
const double PI = acos(-1.0);

class Circle {
private:
    // 私有成员变量：半径
    double radius;
public:
    // 空参构造：默认半径为 0
    Circle() {
        radius = 0.0;
        cout << "空参构造函数被调用，默认半径 0" << endl;
    }

    // 有参构造：初始化半径
    Circle(double r) {
        setRadius(r); // 调用 setRadius 做合法性校验
        cout << "有参构造函数被调用，半径设置为 " << radius << endl;
    }

    // 设置半径：校验合法性
    void setRadius(double r) {
        if (r >= 0) {
            radius = r;
        } else {
            cout << "⚠️ 半径不能为负数，默认设置为 0" << endl;
            radius = 0.0;
        }
    }

    // 获取半径
    double getRadius() {
        return radius;
    }

    // 计算面积
    double getArea() {
        return PI * radius * radius;
    }

    // 计算周长
    double getPerimeter() {
        return 2 * PI * radius;
    }
};

int main() {
    // 测试空参构造
    Circle c1;
    cout << "圆 1 半径：" << c1.getRadius() << endl;
    cout << "圆 1 面积：" << c1.getArea() << endl;
    cout << "圆 1 周长：" << c1.getPerimeter() << endl;
    cout << "-------------------------" << endl;

    // 测试有参构造：合法半径
    Circle c2(5.0);
    cout << "圆 2 半径：" << c2.getRadius() << endl;
    cout << "圆 2 面积：" << c2.getArea() << endl;
    cout << "圆 2 周长：" << c2.getPerimeter() << endl;
    cout << "-------------------------" << endl;

    // 测试非法半径设置
    Circle c3(-3.0);
    cout << "圆 3 半径：" << c3.getRadius() << endl;

    // 动态修改半径
    c3.setRadius(4.0);
    cout << "修改后圆 3 半径：" << c3.getRadius() << endl;
    cout << "修改后圆 3 面积：" << c3.getArea() << endl;
    return 0;
}

4.3 运行结果

空参构造函数被调用，默认半径 0
圆 1 半径：0
圆 1 面积：0
圆 1 周长：0
-------------------------
有参构造函数被调用，半径设置为 5
圆 2 半径：5
圆 2 面积：78.5398
圆 2 周长：31.4159
-------------------------
⚠️ 半径不能为负数，默认设置为 0
有参构造函数被调用，半径设置为 0
圆 3 半径：0
修改后圆 3 半径：4
修改后圆 3 面积：50.2655

五、封装的优势与开发规范

封装的核心优势

1. 数据安全：通过 private 限制成员变量的直接访问，避免非法数据的输入。
2. 代码复用：类的成员函数可以被多个对象复用，减少重复代码。
3. 易于维护：类的内部实现细节被隐藏，修改内部逻辑时，只要对外接口不变，就不会影响外部代码。
4. 接口清晰：对外只暴露必要的成员函数，让使用者无需关注内部实现，降低学习和使用成本。

5.1 C++ 类的开发规范

• 成员变量尽量设置为 private，通过 public 的 get/set 函数访问和修改。
• 构造函数要保证成员变量的初始化，避免出现未初始化的'脏数据'。
• 涉及动态内存分配的类，必须手动编写析构函数释放资源，防止内存泄漏。
• 类的命名采用大驼峰命名法，如 Person、Circle；成员函数和成员变量采用小驼峰命名法，如 setInfo、radius。

六、本章总结

• 类是属性和行为的抽象，对象是类的具体实例，二者是面向对象编程的基础。
• 封装的核心是通过 public/protected/private 控制访问权限，隐藏实现细节，暴露统一接口。
• 构造函数负责对象初始化，支持重载；析构函数负责资源清理，不能重载。
• 合理使用封装特性，可以显著提升代码的安全性、复用性和可维护性。