在 C++ 中，**类（class）和结构体（struct）**经常被用来定义复杂的数据结构，但两者之间既有区别又能很好地结合使用。本文将深入讲解它们的区别、关系，并通过丰富的代码案例说明如何灵活运用它们。

1. 类与结构体的核心区别

1.1 语法上的区别

• 默认访问权限：
  • 结构体（struct）： 默认访问权限是 public。
  • 类（class）： 默认访问权限是 private。
• 这是两者在语法上的唯一区别，但在功能上它们可以互相替代。

1.2 使用场景的区别

• 结构体：
  更适合存储简单的数据，没有复杂行为逻辑。
• 类：
  不仅可以存储数据，还可以定义操作行为，并支持面向对象特性，如封装、继承、多态等。

1.3 概念上的区别

• 结构体： 偏向于“数据的集合”，是一种轻量级的数据封装工具。
• 类： 偏向于“数据与行为的结合体”，是面向对象编程（OOP）的核心。

2. 为什么要从结构体扩展到类？

在 C 中，结构体只能存储数据，无法定义与数据相关的操作。这种方式虽然简单，但对于复杂的系统，数据和操作的分离使得代码难以维护。
C++ 引入了类（class），在继承结构体优点的基础上，增加了以下功能：

• 支持将“数据”和“操作”封装在一起。
• 提供访问控制（public、private、protected）。
• 支持继承和多态，实现代码复用和扩展。

3. 类和结构体的关系

在 C++ 中，类和结构体可以看作是同源不同职：

• 同源： 类和结构体在语法和功能上几乎完全一致，都可以包含数据成员和成员函数。
• 不同职： 结构体主要用于简单数据封装，类则更偏向于复杂逻辑实现。

如何搭配使用？

1. 结构体负责存储数据。
2. 类负责封装行为和操作逻辑。
3. 两者结合可以实现高效的代码组织方式。

4. 代码案例：类与结构体的结合使用

4.1 一个简单的案例：矩形面积计算

我们通过一个例子来说明如何将结构体和类结合使用。

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个结构体，用来存储矩形的宽和高
struct Dimensions {
    double width;
    double height;
};

// 定义一个类，用来操作矩形
class Rectangle {
private:
    Dimensions dims;  // 使用结构体存储矩形的基本信息

public:
    // 构造函数，初始化矩形
    Rectangle(double width, double height) {
        dims.width = width;
        dims.height = height;
    }

    // 设置矩形的宽度和高度
    void setDimensions(double width, double height) {
        dims.width = width;
        dims.height = height;
    }

    // 计算矩形的面积
    double calculateArea() const {
        return dims.width * dims.height;
    }

    // 显示矩形的信息
    void display() const {
        cout << "Width: " << dims.width 
             << ", Height: " << dims.height 
             << ", Area: " << calculateArea() 
             << endl;
    }
};

int main() {
    // 创建一个矩形对象
    Rectangle rect(5.0, 10.0);

    // 显示矩形信息
    rect.display();

    // 修改矩形的尺寸
    rect.setDimensions(8.0, 12.0);

    // 再次显示矩形信息
    rect.display();

    return 0;
}

输出结果：

Width: 5, Height: 10, Area: 50
Width: 8, Height: 12, Area: 96

分析：

• 结构体 Dimensions： 负责存储矩形的宽度和高度。
• 类 Rectangle： 负责操作矩形，比如设置尺寸和计算面积。

4.2 扩展案例：支持圆形和矩形的面积计算

进一步扩展，假设我们需要支持矩形和圆形的面积计算，可以通过继承和多态来实现。

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

// 定义一个结构体，用来存储形状的基本属性
struct ShapeDimensions {
    double width;   // 对于矩形表示宽度
    double height;  // 对于矩形表示高度
    double radius;  // 对于圆形表示半径
};

// 定义一个基类，表示通用形状
class Shape {
protected:
    ShapeDimensions dims;

public:
    virtual double calculateArea() const = 0;  // 纯虚函数，子类必须实现
    virtual void display() const = 0;          // 纯虚函数，用于显示信息
};

// 定义矩形类，继承 Shape
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) {
        dims.width = width;
        dims.height = height;
    }

    double calculateArea() const override {
        return dims.width * dims.height;
    }

    void display() const override {
        cout << "Rectangle: Width = " << dims.width 
             << ", Height = " << dims.height 
             << ", Area = " << calculateArea() 
             << endl;
    }
};

// 定义圆形类，继承 Shape
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double radius) {
        dims.radius = radius;
    }

    double calculateArea() const override {
        return M_PI * dims.radius * dims.radius;
    }

    void display() const override {
        cout << "Circle: Radius = " << dims.radius 
             << ", Area = " << calculateArea() 
             << endl;
    }
};

int main() {
    // 创建矩形和圆形对象
    Rectangle rect(5.0, 10.0);
    Circle circle(7.0);

    // 显示它们的面积
    rect.display();
    circle.display();

    return 0;
}

输出结果：

Rectangle: Width = 5, Height = 10, Area = 50
Circle: Radius = 7, Area = 153.938

分析：

• 结构体 ShapeDimensions： 存储矩形的宽高和圆形的半径。
• 基类 Shape： 定义通用接口（如 calculateArea 和 display）。
• 派生类 Rectangle 和 Circle： 实现特定形状的逻辑。

5. 类与结构体结合使用的总结

5.1 类和结构体的分工：

• 结构体（struct）：
  用于存储数据，结构简单，效率高。适合作为类的内部成员，用于表示数据。
• 类（class）：
  用于封装逻辑，提供操作和行为接口。适合作为更高级的抽象工具。

5.2 使用建议：

1. 如果只是需要存储数据而没有逻辑，用结构体。
2. 如果需要对数据进行操作或扩展功能，用类。
3. 在复杂系统中，结构体和类结合使用可以提高代码的清晰度和可维护性。

5.3 结构体和类的关系：

它们可以看作是工具箱中的不同工具：

• 结构体是“材料”，用于存放原始数据。
• 类是“机器”，用于处理这些数据。

通过类与结构体的结合，我们可以在代码中清晰地分离数据和逻辑，既保持程序的简洁性，又能灵活扩展功能。