# 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)。 ```c++ class 類別名稱 { }; ``` 假設我們要建立一個dog類別，可以這樣寫。 ```c++ 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）。 ```c++ dog shiro; dog kuro; ``` 或 ```c++ 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。 ```c ++ 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。 ```c++ 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。 ```c++ 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`** ```c++ 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`**。 ```c++ 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`**。 ```c++ 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「->」。 ```c++ 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。 ```c++ #include 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。 ```c++ #include 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。 ```c++ #include 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 ```c++ #include 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 ```c++ 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。 ```c++ 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 ```c++ #include 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 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 ```c++ #ifndef SPRITE_H_INCLUDED #define SPRITE_H_INCLUDED #include 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 ```c++ #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 #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()` ```cpp 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()` ```cpp 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()` ```cpp 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