跳轉到

C++ OOP 類別與進階應用

為什麼需要物件導向？

開場問題

問學生：「一個遊戲角色只有名字嗎？」

學生通常會回答：還有血量、等級、攻擊力、裝備，而且角色可以攻擊、補血、升級。

可直接照讀的講稿

「傳統程式常把資料和函式分開。角色名字放一個變數、血量放另一個變數，攻擊是一個函式、補血又是另一個函式。程式小時沒問題；角色一多，函式可能收到錯的資料，任何地方也都能直接把血量改成負一萬。」

「物件導向做的第一件事，是把描述同一件東西的資料與行為放在一起。角色物件自己保存名字和血量，也提供受傷與補血的操作。外界不必知道血量怎麼保存，只需照規則使用角色。」

三個核心名詞

名詞 高中程度解釋 程式例子
類別 class 設計圖、規格書 class GameCharacter
物件 object 依設計圖做出的實體 GameCharacter may;
成員 member 物件擁有的資料或能力 hp、takeDamage()

類別不是物件

同一張手機規格可以生產很多支手機；同一個類別也能建立很多個物件。每個物件通常各有自己的普通資料成員。

GameCharacter 類別（藍圖）
    ├── May 物件：HP 80
    ├── John 物件：HP 35
    └── Amy 物件：HP 100

與 struct 的關係

C++ 的 struct 也能有函式、建構子與存取控制。主要語法差異是：

  • class 預設成員為 private。
  • struct 預設成員為 public。

教學慣例：單純資料集合常用 struct；具有規則與行為、希望強調封裝時常用 class。這是慣例，不是硬性限制。

第一個示範

檔名：01_social_profile_class.cpp

執行前提問：

  1. SocialProfile 是帳號本身，還是帳號藍圖？
  2. profile 建立後，followers 初始值是多少？
  3. 為何不直接公開 followers？

延伸修改

加入 unfollow()。追蹤者為 0 時不能再減。學生會立刻看見：把規則寫在類別裡，所有使用者都得到同一套保護。

2. 資料成員、成員函式與封裝

類別基本骨架

class 類別名稱 {
private:
    // 私有資料：類別內部細節
public:
    // 公開操作：提供外界使用
};

類別結尾的分號不能漏掉。

封裝不是「全部藏起來」

封裝的意思是：物件自己保管狀態，外界透過清楚的操作使用它。像提款機不讓使用者打開機器直接改帳戶餘額，而是提供存款、提款與查詢按鈕。

private、public、protected

private

  • 本類別的成員函式可以存取。
  • 外部程式不能直接存取。
  • class 的預設權限。
  • 適合必須維持規則的資料。

public

  • 外界可呼叫或存取。
  • 是類別提供給使用者的操作介面。
  • 通常公開行為，不直接公開可任意破壞的資料。

protected

  • 外界不能直接存取。
  • 本類別及衍生類別可使用。
  • 主要與繼承有關；本單元先建立概念，繼承章再深入。

共鳴案例：遊戲血量

檔名：02_game_character_access.cpp

如果 hp 是 public：

player.hp = -500;
player.hp = 999999;

語法合法，但遊戲規則已壞。改由 takeDamage() 與 heal() 控制後，類別可保證 0 ≤ hp ≤ 100。

Getter 與 Setter 不是必須成對

不要機械式地替每個 private 成員建立可任意讀寫的 get/set。若 setHp(-500) 仍完全接受，封裝只是換了寫法，沒有保護規則。

較好的問題是：使用者真正想做的是「設定血量」，還是「受到傷害／使用補包」？以行為命名通常更接近真實需求。

成員函式最後的 const

int getHp() const;
void show() const;

這個 const 表示函式承諾不改變物件的可觀察狀態。讀取與顯示函式通常應標 const。好處包括：

  • 編譯器協助防止誤改。
  • const 物件也能呼叫。
  • 閱讀介面時立刻知道函式是否會改資料。

課堂練習

檔名：practice_01_battery.cpp

設計 PhoneBattery：

  • private：percent。
  • public：charge(int)、use(int)、show() const。
  • 電量不得低於 0 或高於 100。

討論題

  1. 直接把 percent 設 public 有什麼後果？
  2. show() 為何應加 const？
  3. 使用負數 charge 應忽略、報錯還是拋出例外？不同選擇代表不同介面設計。

3. 成員函式：類內與類外定義

類內定義

函式直接寫在 class 大括號中，適合很短、很清楚的函式。

int total() const { return price * quantity; }

類外定義與範圍解析運算子

class FoodOrder {
public:
    int total() const;
};

int FoodOrder::total() const {
    return price * quantity;
}

FoodOrder:: 表示「接下來這個 total 屬於 FoodOrder」。:: 像完整地址，避免全域函式與其他類別的同名函式混淆。

為何要分開？

大型專案通常把介面放 .h，實作放 .cpp：

FoodOrder.h    → 使用者需要知道有哪些操作
FoodOrder.cpp  → 操作內部怎麼完成
main.cpp       → 使用 FoodOrder

這能降低閱讀負擔與編譯耦合，但初學單檔示範可先寫在一起。

示範

檔名：03_food_order_methods.cpp

逐行問題

  • 建構子為何沒有回傳型別？
  • total() 能直接使用 private 的 price 嗎？可以，因為它是成員。
  • showReceipt() 呼叫 total() 時為何不需傳入 order？因為它處理目前物件。

練習

檔名：practice_02_ride_fare.cpp

建立共享機車租借類別：分鐘數、解鎖費、每分鐘費率；把 calculateFare() 與 showReceipt() 寫在類別外。

4. 建立物件與物件指標

FoodOrder order("雞排便當", 110, 2);
order.showReceipt();              // 物件用 .

FoodOrder* p = ℴ
p->showReceipt();                 // 指標用 ->

心智模型

  • 物件變數保存物件本身。
  • 指標保存物件位址。
  • .：直接進入手上的物件。
  • ->：先沿位址找到物件，再進入它。

常見錯誤

order->showReceipt(); // 錯：order 不是指標
p.showReceipt();      // 錯：p 是指標

何時需要指標？

  • 物件可能不存在，以 nullptr 表示。
  • 動態生命週期。
  • 多型與執行期選擇。
  • 資料結構需要互相連結。

不應只為了「看起來進階」而使用指標。

5. 建構子：讓物件出生時就合理

生活比喻

辦學生證時不能只拿到一張完全空白、甚至有亂碼的卡。建立物件也是一樣：物件一出生就應處於可使用狀態。建構子就是物件的出生流程。

四項特性

  1. 名稱與類別相同。
  2. 沒有回傳型別，連 void 都不能寫。
  3. 建立物件時自動呼叫。
  4. 可以多載。

成員初始化串列

StreamingAccount(string name, string plan, int screens)
    : owner(name), plan(plan), screens(screens) {}

冒號後不是「先指定再覆蓋」，而是在成員建立時直接初始化。對 const 成員、參考成員與沒有預設建構子的成員尤其必要，也通常比在函式本體賦值更清楚。

預設建構子是否一定存在？

如果完全沒有宣告任何建構子，編譯器可能生成預設建構子。但一旦自行宣告其他建構子，無參數版本不會必然自動存在；需要就明確寫出或使用 = default。

示範 1

04_streaming_constructor.cpp

問學生：guest 與 may 分別呼叫哪個版本？為什麼建立後不需再逐欄設定？

建構子多載

同一類別可以有同名建構子，只要參數列不同。編譯器依實際參數選擇版本。

示範：05_concert_constructor_overload.cpp

委派建構

ConcertTicket(string event)
    : ConcertTicket(event, "一般區", 1800) {}

短版把初始化交給完整版，避免三個建構子各複製一份規則。

explicit

只有一個參數的建構子有時會造成意外隱式轉換。加 explicit 表示必須清楚寫出建立物件的意圖。

練習

檔名：practice_03_gym_membership.cpp

設計健身房會員：姓名、方案、月費。提供訪客、學生方案、完整自訂三種建構方式，使用委派建構避免重複。

6. 解構子與物件生命週期

生活比喻

建構子像入住旅館時領房卡；解構子像退房時歸還房卡、結清費用。物件取得檔案、網路連線或記憶體等資源後，生命結束時需要釋放。

~ClassName() {
    // 清理工作
}

解構子特性

  • 名稱是 ~ 加類別名稱。
  • 沒有回傳型別。
  • 沒有參數。
  • 不能多載；一個類別只有一個解構子。
  • 自動物件離開作用域時自動執行。

解構順序

同一作用域內，通常後建立者先解構，像疊盤子：最後放上去的先拿走。

示範：06_study_timer_destructor.cpp

請學生先畫：

建立 math
建立 cpp
離開內層：解構 cpp
離開 main：解構 math

RAII

RAII 是 C++ 很重要的思想：資源綁定物件生命週期。建構時取得，解構時釋放。即使中途 return 或發生例外，也可依物件生命週期清理。

不能只看「有沒有 delete」

如果類別自己管理裸資源，就必須考慮複製、指定與解構，容易發生重複釋放或記憶體洩漏。現代 C++ 優先使用 string、vector、unique_ptr 等會自行管理資源的類型。

7. 動態物件：new/delete 與現代寫法

圖片教材示範：

Student* student = new Student;
student->input();
delete student;

這是理解堆積區與手動生命週期的重要語法，但實務風險包括：

  • 忘記 delete，造成洩漏。
  • delete 後繼續使用，成為懸空指標。
  • 同一地址 delete 兩次。
  • 中途 return 或例外導致清理沒執行。

現代 C++ 優先方案

auto player = std::make_unique<Player>("May");
player->play();

unique_ptr 表示單一擁有權，離開作用域自動 delete。

示範檔：

  • 07_dynamic_game_player.cpp
  • 15_smart_pointer_pet_adoption.cpp

教學對照

問題 裸指標 unique_ptr
建立 new T make_unique<T>()
釋放 手動 delete 自動
可複製 位址可被隨意複製 不可複製擁有權
適合 舊介面、非擁有觀察 單一擁有動態物件

練習

檔名：practice_04_download_task.cpp

建立下載任務物件，在建構子輸出「開始」、解構子輸出「清理暫存」。分別用區域物件與 unique_ptr 觀察生命週期。

8. 物件陣列

物件陣列不是「一個物件有很多欄位」，而是很多個同型別物件排在一起。

Song playlist[] {
    {"歌 A", 200},
    {"歌 B", 180}
};

每個元素建立時都會呼叫建構子，陣列結束生命時每個元素都會被解構，順序與建立相反。

示範：08_playlist_object_array.cpp

圖片棒球案例的現代轉化

原圖以三位打者計算打擊率。可改成學生較熟悉的遊戲戰績：玩家名稱、出賽場數、勝場，成員函式計算勝率。核心仍是物件陣列與逐一呼叫成員函式。

練習

檔名：practice_05_game_team.cpp

建立五位玩家物件，輸出勝率最高者。要求處理出賽 0 場，避免除以 0。

9. 朋友函式與朋友類別

先說結論

friend 是封裝的「受控例外」，不是一般成員，也不是繼承。它讓指定函式或類別存取 private/protected 成員。

朋友函式

class Wallet {
    friend void splitDinner(const Wallet&, const Wallet&, int);
};

它在類別中被宣告為 friend，但呼叫時仍是普通函式：

splitDinner(a, b, 700);

不是 a.splitDinner()。

示範：09_friend_split_bill.cpp

朋友類別

friend class DeliveryPlatform;

這會讓對方所有成員函式都能存取 private，權限很大。示範：10_friend_class_delivery.cpp。

friend 的規則

  • 不是雙向：A 把 B 當朋友，不代表 B 也把 A 當朋友。
  • 不會自動傳遞：A 的朋友的朋友不是 A 的朋友。
  • 不會自動繼承。
  • 宣告位置不改變其 friend 本質，但通常放 private 區附近便於閱讀。

何時不用 friend？

如果普通 public 成員函式已能完成需求，就不需打開 private 權限。大量 friend 會增加類別間耦合，使內部修改影響更多程式。

課堂辯論

題目：「外送平台是否應看得到店家的秘密配方？」

讓學生理解技術上做得到，不代表設計上應授權。權限設計與真實世界的最小權限原則相同。

10. this 指標

高中程度解釋

同一份成員函式會被很多物件使用。當 cartA.add(60) 執行時，函式怎麼知道要修改 cartA 而不是 cartB？編譯器暗中提供 this，它指向「目前呼叫此函式的物件」。

cartA.add(60) → this 指向 cartA
cartB.add(60) → this 指向 cartB

兩種成員寫法

this->totalPrice += price;
(*this).totalPrice += price;

兩者概念相同；. 優先於 *，所以第二種一定要括號。一般成員函式通常可省略 this->。

參數與成員同名

void setPrice(int price) {
    this->price = price;
}

左側是目前物件的成員，右側是參數。

回傳 *this 與鏈式呼叫

ShoppingCart& add(int price) {
    totalPrice += price;
    return *this;
}

因回傳目前物件的參考，可以寫：

cart.add(60).add(35).checkout();

示範：11_this_shopping_cart.cpp

this 的限制

  • 只能在非 static 成員函式中使用。
  • static 函式不屬於某一特定物件，所以沒有 this。
  • return this; 回傳指標；return *this; 回傳物件或參考，需配合函式回傳型別。

練習

檔名：practice_06_video_settings.cpp

建立影片播放器設定，支援：

settings.setVolume(70).setSpeed(1.25).enableSubtitle().show();

11. static 靜態資料成員

普通成員與 static 成員

普通成員每個物件各有一份；static 成員屬於整個類別，所有物件共用一份。

Viewer May  ─┐
Viewer John ─┼──→ Viewer::onlineCount
Viewer Amy  ─┘

常見用途

  • 計算目前或累計建立多少物件。
  • 共用設定。
  • 發號器。
  • 類別層級常數。

示範：12_static_live_stream.cpp

初始化與存取

傳統常見寫法：

int Viewer::onlineCount = 0;

存取可用：

Viewer::getOnlineCount();

比透過某個物件呼叫更能表達「這屬於類別整體」。C++17 也可用 inline static int onlineCount = 0; 放在類別內。

static 成員函式限制

它沒有 this，不能直接讀取某一物件的普通成員；除非另外取得該物件參考或指標。

計數器陷阱

若建構子加一、解構子減一，還要思考複製建構：複製物件是否也算新在線者？真正專案必須明確定義語意，而不只是機械加減。

練習

檔名：practice_07_queue_number.cpp

設計飲料店訂單，每張單自動取得 101、102、103……取餐號。static 保存下一號，普通成員保存每張單自己的號碼。

12. 巢狀類別

巢狀類別是在某類別內宣告另一類別。它適合表達「內層概念主要只服務外層概念」。

class Course {
public:
    class Enrollment { ... };
};

完整名稱是 Course::Enrollment。

示範：13_nested_course_registration.cpp

與一般包含物件的差別

  • 巢狀類別：型別名稱被放進外層類別作用域。
  • 組合：外層物件擁有內層物件作為資料成員。

兩者可同時存在，但概念不同。內層類別也不會因為「住在裡面」就自動擁有外層某個物件；若需要操作外層物件，仍要有參考或指標。

原圖書架案例的安全改寫

原圖以 new char[]、物件指標陣列及巢狀 Book 實作書架。現代版本可使用：

class Bookshelf {
    class Book { std::string title; int price; };
    std::vector<Book> books;
};

由 string 和 vector 自動管理資源，可避免缺少解構子、複製控制與容量越界。

練習

檔名：practice_08_chat_room.cpp

外層 ChatRoom、內層 Message；Message 保存發言者與文字，ChatRoom 保存訊息清單並顯示紀錄。

13. 函式與物件傳遞

這一節可用「交作業」比喻。

傳值：交影印本

void byValue(PhonePlan plan);

函式拿到副本；修改副本不影響原物件。大型物件會有複製成本。

傳址：交地址

void byPointer(PhonePlan* plan);

可以修改原物件，也可以傳 nullptr，所以函式通常要檢查。成員用 ->。

傳參考：替原件取別名

void byReference(PhonePlan& plan);

修改會影響原物件；語法像普通物件，不需解參考。

const 參考：借原件看，不准塗改

void readOnly(const PhonePlan& plan);

這是唯讀大型物件常用方式：不複製、不修改、也沒有一般空參考問題。

示範：14_object_passing_phone_plan.cpp

比較表

參數 是否複製 可改原物件 可表達沒有物件 成員語法
T value 是 否 否 .
T* pointer 否 是 是，nullptr ->
T& reference 否 是 一般否 .
const T& reference 否 否 一般否 .

選擇口訣

  • 要副本：傳值。
  • 只讀且物件一定存在：const 參考。
  • 要修改且物件一定存在：參考。
  • 物件可能不存在：指標或更能表達語意的型別。

練習

檔名：practice_09_trade_game_item.cpp

兩位玩家交換道具。先用傳值故意失敗，再改成參考；說明為何交換必須改原物件。

14. 綜合實作：校園訂餐 App

示範：16_capstone_campus_food_app.cpp

技術對照

需求 技術
每張訂單保存自己的學生與品項 普通資料成員
取餐號全班共用遞增 static
訂單狀態有限 enum class
加品項後繼續操作 return *this
total 不修改訂單 const 成員函式
多個價格 vector

分階段改造

  1. 加入餐點名稱與價格。
  2. 拒絕負價格。
  3. 顯示 preparing、ready、completed 中文狀態。
  4. completed 後禁止新增品項。
  5. 支援折價券，但總價不得小於 0。
  6. 建立多張訂單，依取餐號查詢。
  7. 將類別拆成 .h 與 .cpp。

專題檔名

  • project_01_campus_food_basic.cpp
  • project_02_campus_food_status.cpp
  • project_03_campus_food_coupon.cpp
  • project_04_campus_food_multi_order.cpp
  • CampusOrder.h
  • CampusOrder.cpp
  • main.cpp

15. 大量短練習題材與檔名

檔名 題材 練習技術
practice_10_instagram_post.cpp 貼文按讚、取消讚 private、規則
practice_11_youbike_rental.cpp 租借分鐘與費用 成員函式
practice_12_gacha_character.cpp 角色稀有度與戰力 enum class
practice_13_exam_countdown.cpp 考試倒數 建構／解構
practice_14_subscription.cpp 串流續訂 建構子多載
practice_15_concert_queue.cpp 搶票排隊號 static
practice_16_group_buy.cpp 團購訂單 物件陣列
practice_17_shared_scooter.cpp 騎乘扣款 參考傳遞
practice_18_dorm_washing.cpp 洗衣機排程 類別狀態
practice_19_pet_hotel.cpp 寵物入住／退房 生命週期
practice_20_playlist.cpp 播放清單 vector 物件
practice_21_chat_message.cpp 聊天室訊息 巢狀類別
practice_22_split_bill.cpp AA 制分帳 friend 討論
practice_23_mobile_plan.cpp 資費比較 物件參數
practice_24_delivery_order.cpp 訂單狀態 封裝、enum

16. 常見錯誤診斷

1. 類別結尾漏分號

class User { }

修正：class User { };

2. 建構子寫了 void

void User() {}

這是名為 User 的普通成員函式，不是建構子。建構子沒有回傳型別。

3. const 函式修改成員

void show() const { score++; }

違反唯讀承諾；應重新思考 show 是否真的需要修改。

4. 忘記類別範圍

int total() const { ... }

類外定義應為 int FoodOrder::total() const。

5. 裸 new 忘記 delete

優先改用區域物件或 make_unique。

6. static 函式使用 this

static 不屬於某個物件，所以沒有 this。

7. 傳值卻期待原物件改變

若需求是修改原物件，考慮參考或指標。

8. friend 當成成員呼叫

朋友函式仍是非成員，通常直接以函式名稱呼叫。

17. 課堂口頭題庫

  1. class 是物件還是物件藍圖？
  2. 每個物件會共用普通資料成員嗎？
  3. private 解決什麼問題？
  4. public 是不是越多越方便？
  5. 成員函式為何可直接讀 private？
  6. 類外定義為何需要 ::？
  7. 物件與指標分別使用什麼存取符號？
  8. 建構子何時執行？
  9. 建構子能否有回傳型別？
  10. 自訂有參數建構子後，預設建構子一定存在嗎？
  11. 解構子能多載嗎？
  12. 為何後建立物件通常先解構？
  13. new 物件由誰負責釋放？
  14. unique_ptr 解決什麼風險？
  15. friend 是不是類別成員？
  16. friend 關係是否雙向？
  17. this 指向誰？
  18. static 成員有幾份？
  19. static 函式有沒有 this？
  20. 傳值、傳指標、傳參考如何選擇？

18. 紙筆測驗與答案

選擇題

  1. 哪個最能描述 class？
    A. 單一整數　B. 物件藍圖　C. 迴圈　D. 標頭檔

  2. 哪一項通常用來保護物件規則？
    A. private　B. cout　C. include　D. return

  3. 指標 p 呼叫成員函式應使用：
    A. p.show()　B. p->show()　C. p::show()　D. &p.show()

  4. 哪個函式在物件離開作用域時自動呼叫？
    A. main　B. friend　C. 解構子　D. static

  5. 所有物件共用一份的資料應宣告為：
    A. const　B. static　C. friend　D. virtual

  6. 唯讀且避免複製大型物件，適合：
    A. T　B. T*　C. const T&　D. int&

答案：1-B、2-A、3-B、4-C、5-B、6-C。

讀程式題

Cart a;
Cart b;
a.add(50);
b.add(30);

若 total 是普通成員，a 與 b 的 total 是否共用？答：不共用。

Cart& add(int price) {
    total += price;
    return *this;
}

為何能連續 .add()？答：每次回傳目前物件的參考。