C++：初识C++

时间：2024-05-04 07:29:27

文章目录

  • C++关键字
  • 命名空间
    • 命名空间定义
    • 命名空间的使用
  • C++的输入&输出
  • 缺省参数
    • 缺省参数的概念
    • 缺省参数分类
  • 函数重载
    • 函数重载的概念
    • C++支持函数重载的原理——名字修饰(name Mangling)
  • 引用
    • 引用的概念
    • 引用特性
    • 常引用
    • 使用场景
      • 做参数
      • 做返回值
    • 传值、传引用效率比较
    • 值和引用作为返回值类型的性能比较
      • 引用和指针的区别
  • 内联函数
    • 内联函数的概念
    • 内联函数的特性
  • auto关键字
    • auto简介
    • auto的使用细则
      • auto与指针和引用结合起来使用
      • 在同一行定义多个变量
      • auto不能推导的场景
  • 基于范围的for循环（C++11）
    • 范围for的语法
    • 范围for的使用条件
  • 指针空值nullptr（C++11）

C++关键字

C++共计63个关键字，C语言有32个关键字。

C++关键字：

asm do if return try continue auto
double inline short typedef for bool dynamic_cast
int signed typeid public break else long
sizeof typename throw case enum mutable static
union wchar_t catch explicit namespace static_cast unsigned
default char export new struct using friend
class entern operator switch virtual register const
false private template void true const_cast float
protected this volatile while delete goto reinterpret_cast

命名空间

在C/C++中，变量、函数和后面要学到的类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称将都存在于全局作用域中，可能会导致很多冲突。使用命名空间的目的是对标识符的名称进行本地化，以避免命名冲突或名字污染，namespace关键字的出现就是针对这种问题的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int rand = 10;

// C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决
int main()
{
    printf("%d\n", rand);
 	return 0;
}

// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

命名空间定义

定义命名空间，需要使用到namespace关键字，后面跟命名空间的名字，然后接一对{}即可，{} 中即为命名空间的成员。

// xxm是命名空间的名字，一般开发中是用项目名字做命名空间名。

// 1. 正常的命名空间定义
namespace xxm
{
    // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    int rand = 10;
    
    int Add(int left, int right)
    {
        return left + right;
    }
    
    struct Node
 	{
 		struct Node* next;
 		int val;
 	};
}

//2. 命名空间可以嵌套
// test.cpp
namespace N1
{
	int a;
 	int b;
    
 	int Add(int left, int right)
 	{
 		return left + right;
 	}
    
 	namespace N2
 	{
 		int c;
 		int d;
        
 		int Sub(int left, int right)
    	{
 			return left - right;
    	}
 	}
}

//3. 同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间,编译器最后会合成同一个命名空间中。
// ps：一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个
// test.h
namespace N1
{
	int Mul(int left, int right)
 	{
 		return left * right;
 	}
}

命名空间的使用

namespace xxm
{
	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	int a = 0;
 	int b = 1;
    
 	int Add(int left, int right)
 	{
 		return left + right;
    }
    
 	struct Node
 	{
 		struct Node* next;
 		int val;
 	};
}

int main()
{
	// 编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
	printf("%d\n", a);
 	return 0;
}

命名空间的使用有三种方式：

  1. 加命名空间名称及作用域限定符
int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
 	return 0;    
}
  1. 使用using将命名空间中某个成员引入
using N::b;
int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
 	printf("%d\n", b);
 	return 0;    
}
  1. 使用using namespace 命名空间名称引入
using namespce N;
int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
 	printf("%d\n", b);
 	Add(10, 20);
 	return 0;    
}

C++的输入&输出

#include<iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;

int main()
{
	cout<<"Hello world!!!"<<endl;
 	return 0;
}

说明：

  1. 使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。
  2. cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出，他们都包含在包含< iostream >头文件中。
  3. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
  4. 使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格式。C++的输入输出可以自动识别变量类型。

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc 6.0)中还支持格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用<iostream> + std的方式。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a;
 	double b;
 	char c;
    
 	// 可以自动识别变量的类型
	cin>>a;
 	cin>>b>>c;
 	cout<<a<<endl;
 	cout<<b<<"  "<<c<<endl;
    
 	return 0;
}

std命名空间的使用惯例：

std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？

  1. 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。
  2. using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

缺省参数

缺省参数的概念

缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。

void Func(int a = 0)
{
	cout<<a<<endl;
}

int main()
{
	Func();     // 没有传参时，使用参数的默认值
	Func(10);   // 传参时，使用指定的实参
	return 0;
}

缺省参数分类

  1. 全缺省参数
void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
 	cout<<"a = "<<a<<endl;
 	cout<<"b = "<<b<<endl;
 	cout<<"c = "<<c<<endl;
}
  1. 半缺省参数
void Func(int a, int b = 10, int c = 20)
{
	cout<<"a = "<<a<<endl;
 	cout<<"b = "<<b<<endl;
 	cout<<"c = "<<c<<endl;
}

注意：

  1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给。
  2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现。
//a.h
void Func(int a = 10);
  
// a.cpp
void Func(int a = 20)
{
    // ...
}
  
// 注意：如果声明与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该用那个缺省值。
  1. 缺省值必须是常量或者全局变量。
  2. C语言不支持（编译器不支持）。

函数重载

函数重载的概念

函数重载：是函数的一种特殊情况，C++允许在同一作用域中声明几个功能类似的同名函数，这些同名函数的形参列表(参数个数或类型或类型顺序)不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

#include<iostream>
using namespace std;

// 1、参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
    cout << "int Add(int left, int right)" << endl;
    return left + right;
}

double Add(double left, double right)
{
    cout << "double Add(double left, double right)" << endl;
    return left + right;
}

// 2、参数个数不同
void f()
{
    cout << "f()" << endl;
}

void f(int a)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}

// 3、参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
{
	cout << "f(int a,char b)" << endl;
}

void f(char b, int a)
{
	cout << "f(char b, int a)" << endl;
}

int main()
{
 	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.2);
    
    f();
 	f(10);
    
 	f(10, 'a');
 	f('a', 10);
    
 	return 0;
}

C++支持函数重载的原理——名字修饰(name Mangling)

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？

在C/C++中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。

  1. 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时，编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。所以此时还无法找到目标函数的地址。
  2. 链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起。
  3. 那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。

那么C++支持函数重载的原理而C语言不支持函数重载的原因就在这里。

C语言的函数在编译后，名字不变；C++的函数在编译后，函数名会被修饰。因为同名函数无法区分，所以C语言不支持函数重载，C++的函数在经过修饰后，多个重载函数会产生多个函数名和多个函数地址，所以支持函数重载。

注意：如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办法区分。

引用

引用的概念

引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取了一个别名，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

void TestRef()
{
 	int a = 10;
 	int& ra = a;//<====定义引用类型
    
	printf("%p\n", &a);
 	printf("%p\n", &ra);
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

引用特性

  1. 引用在定义时必须初始化
  2. 一个变量可以有多个引用
  3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
void TestRef()
{
	int a = 10;
    // int& ra;   // 该条语句编译时会出错
	int& ra = a;
 	int& rra = a;
 	printf("%p  %p  %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

常引用

void TestConstRef()
{
 	const int a = 10;
 	//int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;
    
 	// int& b = 10;  // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    
 	double d = 12.34;
 	//int& rd = d;  // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

使用场景

做参数

void Swap(int& left, int& right)
{
 	int temp = left;
 	left = right;
 	right = temp;
}

做返回值

当引用做返回值时，需注意当函数返回时，已经出了函数的作用域，如果返回对象还在(没还给操作系统)，则可以使用引用返回，如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

int& Count()
{
	static int n = 0;
	n++;
 	// ...
 	return n;
}

传值、传引用效率比较

以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue()
{
	A a;
 	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
 	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 		TestFunc1(a);
 	size_t end1 = clock();
    
 	// 以引用作为函数参数
	size_t begin2 = clock();
 	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 		TestFunc2(a);
 	size_t end2 = clock();
    
 	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
 	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

值和引用作为返回值类型的性能比较

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };

A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a;}
// 引用返回
A& TestFunc2(){ return a;}

void TestReturnByRefOrValue()
{
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
 		for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
 	TestFunc1();
 	size_t end1 = clock();
    
 	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
 	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
 		TestFunc2();
 	size_t end2 = clock();
    
 	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
 	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

引用和指针的区别

引用在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。

int main()
{
	int a = 10;
 	int& ra = a;
    
 	cout<<"&a = "<<&a<<endl;
 	cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;
    
 	return 0;
}

在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。

int main()
{
	int a = 10;
    
 	int& ra = a;
 	ra = 20;
    
 	int* pa = &a;
 	*pa = 20;
    
 	return 0;
}

引用和指针的不同点：

  1. 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
  2. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求。
  3. 引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体。
  4. 没有NULL引用，但有NULL指针。
  5. 在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占4个字节)。
  6. 引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小。
  7. 有多级指针，但是没有多级引用。
  8. 访问实体方式不同，指针需要显式解引用，引用编译器自己处理。
  9. 引用比指针使用起来相对更安全。

内联函数

内联函数的概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

内联函数的特性

  1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
  2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。《C++prime》第五版中关于inline这样介绍：内联说明只是向编译器发出的一个请求，编译器可以选择忽略这个请求。一般来说，内联机制用于优化规模较小、流程直接、频繁调用的函数。很多编译器都不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不大可能在调用点内联地展开。
  3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址 了，链接就会找不到。
// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);

// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
	cout << i << endl;
}

// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
	f(10);
 	return 0;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdeclf(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

auto关键字

auto简介

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在类型难于拼写和含义不明确导致容易出错。

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量。C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

int TestAuto()
{
	return 10;
}

int main()
{
 	int a = 10;
 	auto b = a;
 	auto c = 'a';
 	auto d = TestAuto();
    
 	cout << typeid(b).name() << endl;
 	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;
    
    // auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化。
    return 0;
}

注意：使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

auto的使用细则

auto与指针和引用结合起来使用

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

int main()
{
	int x = 10;
 	auto a = &x;
 	auto* b = &x;
 	auto& c = x;
    
 	cout << typeid(a).name() << endl;
 	cout << typeid(b).name() << endl;
 	cout << typeid(c).name() << endl;
 
    *a = 20;
 	*b = 30;
 	c = 40;
    
    return 0;
}

在同一行定义多个变量

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

void TestAuto()
{
	auto a = 1, b = 2; 
	auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

auto不能推导的场景

  1. auto不能作为函数的参数
// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{ }
  1. auto不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
	int a[] = {1,2,3};
 	auto b[] = {4，5，6};  // 报错，auto不能出现在*数组类型中
}
  1. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
  2. auto在实际中最常见的优势用法就是跟C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用

基于范围的for循环（C++11）

范围for的语法

在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
		array[i] *= 2;
    
    for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
 		cout << *p << endl;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    
 	for(auto& e : array)
 		e *= 2;
    
 	for(auto e : array)
 		cout << e << " ";
    
 	return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

范围for的使用条件

  1. for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])
{
	for(auto& e : array)
 		cout<< e <<endl;
}
  1. 迭代的对象要实现++和==的操作。

指针空值nullptr（C++11）

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
	int* p1 = NULL;
 	int* p2 = 0;
 	// ……
}

NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL    0
#else
#define NULL    ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void)的常量*。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

void f(int)
{
 	cout<<"f(int)"<<endl;
}

void f(int*)
{
	cout<<"f(int*)"<<endl;
}

int main()
{
	f(0);
 	f(NULL);
 	f((int*)NULL);
    
 	return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意：

  1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
  2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
  3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

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