10-類別(class)
10-1 類別(class)與物件(object)
一、物件（object）與類別（class）
在 C++ 中物件和類別有很嚴謹的定義，我們在這裡僅使用簡單例子來做介紹。
什麼是物件(Object)？你的iPhone是個物件、你現在坐著的這張椅子是個物件，小狗小黃也是個物件。
那類別呢(Class)？你的iPhone是個物件，隔壁同學的HTC One也是個物件，而它們同屬於「手機」這個類別。小黃是個物件、小黑也是個物件，牠們同屬於「狗」這個類別。
二、建立類別與產生物件
在產生物件之前必須先建立類別，在C++中建立類別要使用到 class 這個關鍵字，一個最簡單的類別長這個模樣(注意：最後有一個分號)。
class 類別名稱 {
};
假設我們要建立一個dog類別，可以這樣寫。
class dog {
};
接下來我們可以這樣產生兩個 dog 類別的物件：shiro（小白） 和 kuro（小黑）。
dog shiro;
dog kuro;
或
dog shiro, kuro;
就像在定義 int 或 float 等原生型別變數一樣。
三、屬性 (attribute)/資料成員(data member)
前面這個 dog類別是一個很單純的類別，它產生的兩個物件也沒什麼用處。現在我們要給它一點變化，讓狗有不同的顏色和叫聲。
class dog {
public:
string color;
string sound;
};
public 關鍵字表示下面出現的屬性都是「公開的」，你可以在程式的任何地方來改變其值。
在這個例子中我們有兩個 string 型別的屬性 color 和 sound。我們可以用 物件名稱.屬性名稱 的型式來設定或取用特定物件的某個屬性值。
dog shiro;
dog kuro;
shiro.color = "白色";
kuro.color = "黑色";
cout << "shiro 的顏色是" << shiro.color << endl;
cout << "kuro 的顏色是" << kuro.color << endl;
四、成員函數(member function)
到目前為止，你會覺得 class 和之前學的 struct 一樣。
但是除了屬性之外，我們還可以在類別中加入成員函數，讓該類別的物件可以「做些事情」，例如：我們可以在 dog 類別中加入 bark 這個成員函數，讓小白和小黑可以叫。
class dog {
public:
string color;
string sound;
void bark() {
cout << sound << endl;
}
};
int main()
{
dog shiro, kuro;
shiro.color = "白色";
shiro.sound = "汪！";
kuro.color = "黑色";
kuro.sound = "汪汪汪！";
cout << "shiro 咬他！" << endl;
shiro.bark(); // 汪！
cout << "kuro 咬他！" << endl;
kuro.bark(); // 汪汪汪！
return 0;
}
五、特殊的成員函數- 建構(constructor), 解構(destructor)
constructor 是一個和類別同名的成員函數，在一個物件被產生時會自動被呼叫，而且 沒有傳回值
class dog {
public:
string color;
string sound;
void bark() {
cout << sound << endl;;
}
dog() {
cout << "有一隻小狗誕生了！" << endl;
}
};
int main()
{
dog shiro, kuro;
return 0;
}
一個類別可以有很多個 constructor，每個 constructor 的參數列都必須不一樣，在產生物件時，根據你使用參數的不同，相對應的 constructor 會自動被呼叫。
沒有參數的 constructor 稱為 default constructor。
class dog {
public:
string color;
string sound;
void bark() {
cout << sound << endl;;
}
dog() {
cout << "有一隻小狗誕生了！" << endl;
}
dog(string _color, string _sound) {
color = _color;
sound = _sound;
cout << "有一隻" << color << "小狗誕生了！" << sound << endl;
}
};
int main()
{
dog kuro;
dog shiro("白色","汪！");
return 0;
}
destructor 是物件「死亡」時會被自動呼叫的成員函數，每個類別只有一個 destructor，它的名字是 ~類別名稱，destructor 沒有參數也沒有傳回值。
class dog {
public:
string color;
string sound;
string name;
void bark() {
cout << sound << endl;;
}
dog(string _name, string _color, string _sound) {
name = _name;
color = _color;
sound = _sound;
cout << "有一隻名為 " << name << " 的 " << color << " 小狗誕生了！"
<< sound << endl;
}
~dog() {
cout << name << " 上天堂了。" << endl;
}
};
int main()
{
dog shiro("小白", "白色", "汪！");
dog *kuro = new dog("小黑", "黑色","喵！");
delete kuro;
return 0;
}
六、使用指標操作物件
使用指標操作物件與使用指標操作 struct 變數一樣，必須用到「->」。
int main()
{
dog *kuro = new dog("小黑", "黑色","喵！");
kuro->sound = "汪！汪！";
kuro->bark();
delete kuro;
return 0;
}
七、this 指標
this 是一個指向「自己這個物件」的指標。
成員函數的參數名稱和屬性名稱完全一樣時，不加 this-> 編譯器會把兩邊都當作參數，屬性永遠不會被賦值。
#include <iostream>
using namespace std;
class Student {
public:
string name;
int age;
void setName(string name) {
//name = name; // 自己賦值給自己，成員變數沒有被改到
this->name = name; // 左邊是成員變數，右邊是參數
}
void setAge(int age) {
//age = age; // 自己賦值給自己，成員變數沒有被改到
this->age = age; // 同上
}
void printInfo() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
int main()
{
Student std;
std.setName("Alice");
std.setAge(20);
std.printInfo();
return 0;
}
使用 this
Name: Alice, Age: 20
不使用 this
Name: , Age: -103249728
10-2 存取控制——public 與 private
一、class 裡的東西，不是誰都可以動的
先看一個銀行帳戶的例子。
#include <iostream>
using namespace std;
class BankAccount {
public:
string owner;
int balance;
};
int main() {
BankAccount acc;
acc.owner = "小明";
acc.balance = 1000;
acc.balance = -99999; // 沒有任何阻擋，帳戶餘額變成負的！
cout << acc.balance << endl;
}
這是因為我們之前在 class 裡用了 public: 這個存取修飾詞。 public 的意思就是「公開的」，誰想看、誰想改都可以。
用 private: 將存取限制改為「私有的」看看差別。
#include <iostream>
using namespace std;
class BankAccount {
private:
string owner;
int balance;
};
int main() {
BankAccount acc;
acc.owner = "小明";
acc.balance = 1000;
acc.balance = -99999; // 沒有任何阻擋，帳戶餘額變成負的！
cout << acc.balance << endl;
}
修改之後，連編譯都失敗，出現了大量如下的錯誤訊息。
因為使用 privte 修飾的屬性和成員函數，在該 class 之外(第 5~9 行之外)都無法存取，在編譯時就攔下了不合法的存取。
main.cpp:13:9: error: 'std::string BankAccount::owner' is private within this context
13 | acc.owner = "小明";
| ^~~~~
main.cpp:7:12: note: declared private here
7 | string owner;
| ^~~~~
main.cpp:14:9: error: 'int BankAccount::balance' is private within this context
14 | acc.balance = 1000;
| ^~~~~~~
main.cpp:8:9: note: declared private here
8 | int balance;
| ^~~~~~~
main.cpp:16:9: error: 'int BankAccount::balance' is private within this context
16 | acc.balance = -99999; // 沒有任何阻擋，帳戶餘額變成負的！
| ^~~~~~~
main.cpp:8:9: note: declared private here
8 | int balance;
| ^~~~~~~
main.cpp:18:17: error: 'int BankAccount::balance' is private within this context
18 | cout << acc.balance << endl;
| ^~~~~~~
main.cpp:8:9: note: declared private here
8 | int balance;
| ^~~~~~~
二、提供外界有限的操作
設成 public 太危險，設成 private 又動不了，怎麼辦呢?
我們可以
- 把內部屬性設為 private
- 用 public 開放幾個成員函數，給外界有限能力操作內部屬性
#include <iostream>
using namespace std;
class BankAccount {
private:
string owner;
int balance; // 外部無法直接存取
public:
// 以下成員函數，開放給外部使用，提供存取 balance 的管道
bool withdraw(int amount) {
if (amount > balance) {
cout << "餘額不足！" << endl;
return false;
}
balance -= amount;
return true;
}
void deposit(int amount) {
if (amount <= 0) {
cout << "存款金額必須大於 0！" << endl;
return;
}
balance += amount;
}
int getBalance() { return balance; }
};
int main()
{
BankAccount account;
account.deposit(1000); // 存款 1000 元
cout << "目前餘額: " << account.getBalance() << " 元" << endl;
if (account.withdraw(500)) { // 提款 500 元
cout << "提款成功！" << endl;
}
cout << "目前餘額: " << account.getBalance() << " 元" << endl;
if (!account.withdraw(600)) { // 嘗試提款 600 元，應該會失敗
cout << "提款失敗！" << endl;
}
cout << "目前餘額: " << account.getBalance() << " 元" << endl;
return 0;
}
現在外部程式只能透過 withdraw() 和 deposit() 來改變餘額，透過 getBalance() 來取得餘額，非法操作會被擋下來。
public、private 存取修飾詞的作用範圍
class Example {
// 這裡沒寫 → class 預設是 private
int secret;
public:
int visible;
void doSomething() { }
private:
int alsoSecret;
};
public: 和 private: 後面的所有成員，都套用該修飾子，直到遇到下一個修飾子為止。
三、封裝(encapsulate)的概念
有時候我們不希望 class 的使用者直接去更動某些 data member 的資料，這時我們會將這些 data member 宣告在 private 區域中，並在 public 區域中提供 member function 來操作這些 data member。
以手錶為例，一般來說製表師傅不會希望使用者自己去撥動錶內的齒輪，所以他會把手錶內部的複雜機構用錶殼緊緊的封裝起來，不過他還是會提供一些按鈕或旋鈕來讓我們調整時間。
- private – 手錶的內部複雜機構
- public – 調整時間的按鈕或旋鈕
當我們試著在非成員函數裡存取 private 的 data member 或 member function 時，在編譯時期就會出現錯誤訊息。
這就是「物件導向程式設計」中很重要的「封裝」概念。我們設計了一個很精巧的 class，包含了很多的屬性和成員函數，但是對外界來說，它被一個「盒子」封裝起來，你只操作這個盒子外漏的那幾個界面。
10-3 如何建立複雜的類別
一、成員函數可以定義在 class 之外
我們可以只在 class body 中 宣告 member function，再將它 定義 在 class body 之外。
class sprite {
private:
string name;
public:
sprite(string _name); // 只有宣告
string getName(); // 只有宣告
};
// 定義 sprite 類別的 sprite 成員函數
sprite::sprite(string _name)
{
name = _name;
}
// 定義 sprite 類別的 getName 成員函數
string sprite::getName()
{
return name;
}
以下是一個遊戲中角色的範例
#include <iostream>
using namespace std;
class sprite
{
private:
string name;
string status;
int HP;
int maxHP;
void setStatus(void); // 根據 hp 設定健康狀態
void drawHpBar(void); // 繪製 hp 長條圖
public:
sprite(string _name);
string getName(); // 取得姓名
void decHP(int n); // 減少 HP
void addHP(int n); // 增加 HP
void show(void); // 顯示狀態
};
void sprite::setStatus(void)
{
if(HP >= maxHP *0.9)
status = "健康";
else if(HP >= maxHP *0.6)
status = "受傷";
else if(HP >= maxHP *0.3)
status = "重傷";
else if(HP > 0)
status = "瀕死";
else
status = "死亡";
}
sprite::sprite(string _name)
{
name = _name;
HP = maxHP = 20;
status = "健康";
}
string sprite::getName()
{
return name;
}
void sprite::decHP(int n)
{
HP = HP - n;
if(HP <0)
HP = 0;
setStatus();
}
void sprite::addHP(int n)
{
HP = HP + n;
if(HP > maxHP)
HP = maxHP;
setStatus();
}
void sprite::drawHpBar(void)
{
int a = 10*HP/maxHP;
cout << "[";
for(int i=0; i<a; i++)
cout << "#";
for(int i=a; i<10; i++)
cout << "-";
cout << "] ";
}
void sprite::show(void)
{
cout << "[" << name << "] ";
cout << "狀態：" << status << endl;
drawHpBar();
cout << "HP: " << HP << "/" << maxHP << endl;
cout << endl;
}
void attack(sprite &s, int n)
{
cout << s.getName() << " 受到 " << n << " 點的傷害。" << endl;
cout << endl;
s.decHP(n);
}
int main()
{
sprite fighter1("David");
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
return 0;
}
David 受到 6 點的傷害。
[David] 狀態：受傷 [#######---] HP: 14/20
David 受到 6 點的傷害。
[David] 狀態：重傷 [####------] HP: 8/20
David 受到 6 點的傷害。
[David] 狀態：瀕死 [#---------] HP: 2/20
David 受到 6 點的傷害。
[David] 狀態：死亡 [----------] HP: 0/20
二、將類別放在獨立的檔案中
在前一個例子裡，我們把 sprite 類別和 main 放在同一個檔案裡，在程式碼短的情形下是沒問題的。但在動輒使用到數十乃至上百個類別的程式裡，這麼做就不切實際了，會造成維護和分工上的困擾。
我們可以將sprite類別移到獨立的檔案裡，這樣修改 sprite 時就可以專注在 sprite 的程式碼，main.cpp 裡也不會顯得凌亂，建置專案時的效率也會更好。
sprite.h
#ifndef SPRITE_H_INCLUDED
#define SPRITE_H_INCLUDED
#include <iostream>
using namespace std;
class sprite
{
private:
string name;
string status;
int hp;
int maxHp;
void setStatus(void); // 根據 hp 設定健康狀態
void drawHpBar(void); // 繪製 hp 長條圖
public:
sprite(string _name);
string getName(); // 取得姓名
void decHP(int n); // 減少 HP
void addHP(int n); // 增加 HP
void show(void); // 顯示狀態
};
#endif // SPRITE_H_INCLUDED
sprite.cpp
#include "sprite.h"
void sprite::setStatus(void)
{
if(HP >= maxHP*0.9)
status = "健康";
else if(HP >= maxHP*0.6)
status = "受傷";
else if(HP >= maxHP*0.3)
status = "重傷";
else if(HP > 0)
status = "瀕死";
else
status = "死亡";
}
sprite::sprite(string _name)
{
name = _name;
HP = maxHP = 20;
status = "健康";
}
string sprite::getName()
{
return name;
}
void sprite::decHP(int n)
{
HP = HP - n;
if(HP<0)
HP = 0;
setStatus();
}
void sprite::addHP(int n)
{
HP = HP + n;
if(HP > maxHP)
HP = maxHP;
setStatus();
}
void sprite::drawHpBar(void)
{
int a = 10*HP/maxHP;
cout << "[";
for(int i=0; i<a; i++)
cout << "#";
for(int i=a; i<10; i++)
cout << "-";
cout << "] ";
}
void sprite::show(void)
{
cout << "[" << name << "] ";
cout << "狀態：" << status << endl;
drawHpBar();
cout << "HP: " << HP << "/" << maxHP << endl;
cout << endl;
}
main.cpp
#include <iostream>
#include "sprite.h"
using namespace std;
void attack(sprite &s, int n)
{
cout << s.getName() << " 受到 " << n << " 點的傷害。" << endl;
cout << endl;
s.decHP(n);
}
int main()
{
sprite fighter1("David");
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
attack(fighter1, 6);
fighter1.show();
return 0;
}
建置時的檔案相依性
10-4 Class 練習題
練習一：電影票券（Ticket）
情境說明
你正在設計一套電影院售票系統。每張票券記錄了電影名稱、座位號碼、票價，以及是否已被使用。票券一旦使用就不能再次入場；票價不能設為負數。
規格列表
成員變數（皆為 private）
| 變數名稱 | 型態 | 說明 |
|---|---|---|
movieName |
string |
電影名稱 |
seatNumber |
int |
座位號碼 |
price |
int |
票價（元） |
used |
bool |
是否已使用 |
建構子
| 建構子 | 初始值 |
|---|---|
Ticket() |
movieName="未命名"、seatNumber=0、price=0、used=false |
Ticket(string movieName, int seatNumber, int price) |
依參數設定，used=false |
兩個建構子的參數名稱與成員變數相同，需使用
this->或初始化列表。
Getter（皆加 const）
| 函式 | 回傳型態 | 說明 |
|---|---|---|
getMovieName() |
string |
回傳電影名稱 |
getSeatNumber() |
int |
回傳座位號碼 |
getPrice() |
int |
回傳票價 |
isUsed() |
bool |
回傳是否已使用 |
Setter（含驗證）
| 函式 | 驗證規則 |
|---|---|
setPrice(int price) |
price < 0 時印出 "票價不能為負數！" 並放棄修改 |
其他成員函式
| 函式 | 回傳 | 說明 |
|---|---|---|
use() |
bool |
若已使用，印出 "此票券已使用過！" 並回傳 false；否則將 used 設為 true，印出入場訊息並回傳 true |
print() const |
void |
印出票券所有資訊（格式見預期輸出） |
main()
int main() {
Ticket t1("星際大戰", 12, 280);
Ticket t2;
t1.print();
t2.print();
t1.use();
t1.use(); // 重複使用
t1.setPrice(-100); // 非法
t1.setPrice(250); // 合法
cout << t1.getMovieName() << " 目前票價：" << t1.getPrice() << " 元" << endl;
t1.print();
}
預期輸出
[票券] 星際大戰 | 座位 12 | 票價 280 元 | 狀態：未使用
[票券] 未命名 | 座位 0 | 票價 0 元 | 狀態：未使用
入場成功！電影：星際大戰，座位：12
此票券已使用過！
票價不能為負數！
星際大戰 目前票價：250 元
[票券] 星際大戰 | 座位 12 | 票價 250 元 | 狀態：已使用
練習二：水壺（Pitcher）
情境說明
你設計一個登山水壺管理程式。每個水壺有名稱、最大容量和目前水量。注水時若超過容量會溢出；倒水時若水量不足則失敗；容量不能設得比目前水量還小。
規格列表
成員變數（皆為 private）
| 變數名稱 | 型態 | 說明 |
|---|---|---|
name |
string |
水壺名稱 |
capacity |
int |
最大容量（ml） |
current |
int |
目前水量（ml） |
建構子
| 建構子 | 初始值 |
|---|---|
Pitcher() |
name="水壺"、capacity=1000、current=0 |
Pitcher(string name, int capacity) |
依參數設定，current=0 |
Getter（皆加 const）
| 函式 | 回傳型態 | 說明 |
|---|---|---|
getName() |
string |
回傳水壺名稱 |
getCapacity() |
int |
回傳最大容量 |
getCurrent() |
int |
回傳目前水量 |
Setter（含驗證）
| 函式 | 驗證規則 |
|---|---|
setCapacity(int capacity) |
≤ 0 印出 "容量必須大於 0！"；新容量 < current 印出 "新容量小於目前水量，無法設定！" |
其他成員函式
| 函式 | 回傳 | 說明 |
|---|---|---|
fill(int amount) |
void |
注水；若超出容量則補滿並印出溢出量，否則正常注水 |
pour(int amount) |
bool |
倒水；水量不足回傳 false 並印出提示，否則正常倒出回傳 true |
status() const |
void |
印出水壺狀態，含百分比（格式見預期輸出） |
main()
int main() {
Pitcher p1("運動水壺", 750);
Pitcher p2;
p1.status();
p2.status();
p1.fill(500);
p1.fill(400); // 會溢出
p1.pour(200);
p1.pour(600); // 水量不足
p1.setCapacity(-1); // 非法
p1.setCapacity(100);// 非法（小於目前水量 550）
cout << p1.getName() << " 容量：" << p1.getCapacity() << " ml" << endl;
p1.status();
}
預期輸出
[運動水壺] 0 / 750 ml（0%）
[水壺] 0 / 1000 ml（0%）
運動水壺 注入 500 ml。
運動水壺 已裝滿，多餘 150 ml 溢出。
運動水壺 倒出 200 ml。
運動水壺 水量不足，無法倒出 600 ml！
容量必須大於 0！
新容量小於目前水量，無法設定！
運動水壺 容量：750 ml
[運動水壺] 550 / 750 ml（73%）
練習三：遊戲計分板（ScoreBoard）
情境說明
你正在設計一款小遊戲的計分系統。計分板記錄玩家名稱、歷史最高分、當前分數和剩餘生命數。每次得分若超過歷史最高分則更新紀錄；失去所有生命時宣告遊戲結束；重新開始時分數歸零但最高分保留。
規格列表
成員變數（皆為 private）
| 變數名稱 | 型態 | 說明 |
|---|---|---|
playerName |
string |
玩家名稱 |
highScore |
int |
歷史最高分 |
currentScore |
int |
當前分數 |
lives |
int |
剩餘生命數 |
建構子
| 建構子 | 初始值 |
|---|---|
ScoreBoard() |
playerName="玩家"、highScore=0、currentScore=0、lives=3 |
ScoreBoard(string playerName, int lives) |
依參數設定，highScore=0、currentScore=0 |
Getter（皆加 const）
| 函式 | 回傳型態 | 說明 |
|---|---|---|
getPlayerName() |
string |
回傳玩家名稱 |
getHighScore() |
int |
回傳歷史最高分 |
getCurrentScore() |
int |
回傳當前分數 |
getLives() |
int |
回傳剩餘生命數 |
Setter（含驗證）
| 函式 | 驗證規則 |
|---|---|
setPlayerName(string playerName) |
名稱為空字串時印出 "玩家名稱不能為空！" 並放棄修改 |
其他成員函式
| 函式 | 回傳 | 說明 |
|---|---|---|
addScore(int points) |
void |
加分（≤0 印出提示拒絕）；若 currentScore > highScore 則更新並印出新紀錄訊息 |
loseLife() |
bool |
扣一條命；lives=0 時印出遊戲結束訊息並回傳 false，否則回傳 true |
reset() |
void |
currentScore 歸零、lives 回復 3，highScore 保留，印出提示 |
print() const |
void |
印出所有資訊（格式見預期輸出） |
main()
int main() {
ScoreBoard sb("小明", 3);
ScoreBoard sb2;
sb.print();
sb2.print();
sb.addScore(100);
sb.addScore(250);
sb.addScore(50);
sb.loseLife();
sb.loseLife();
sb.loseLife(); // 第三條命，遊戲結束
sb.setPlayerName(""); // 非法
sb.setPlayerName("小明Pro");
sb.reset();
sb.print();
sb.addScore(500); // 超越舊最高分
sb.print();
}
預期輸出
== 小明 == 當前：0 | 最高：0 | 命：3
== 玩家 == 當前：0 | 最高：0 | 命：3
新紀錄！最高分更新為 100
小明 得 100 分，目前：100
新紀錄！最高分更新為 350
小明 得 250 分，目前：350
新紀錄！最高分更新為 400
小明 得 50 分，目前：400
小明 失去一條命，剩餘：2
小明 失去一條命，剩餘：1
小明 失去一條命，剩餘：0
遊戲結束！小明 最終得分：400
玩家名稱不能為空！
小明Pro 重新開始，最高分保留：400
== 小明Pro == 當前：0 | 最高：400 | 命：3
新紀錄！最高分更新為 500
小明Pro 得 500 分，目前：500
== 小明Pro == 當前：500 | 最高：500 | 命：3