C++入门必备知识
- 一、命名空间
-
- [1. namespace](#1. namespace)
- [2. namespace 的使用场景](#2. namespace 的使用场景)
- [二、了解 C++ 中的输入和输出](#二、了解 C++ 中的输入和输出)
- 三、缺省参数
- 四、函数重载
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- [1. 函数重载的概念](#1. 函数重载的概念)
- [2. C++支持函数重载的原理](#2. C++支持函数重载的原理)
- 五、引用
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- [1. 引用的概念](#1. 引用的概念)
- [2. 引用特性](#2. 引用特性)
- [3. 常引用](#3. 常引用)
- [4. 引用的使用场景](#4. 引用的使用场景)
- 六、内联函数
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- 1. #define定义宏
- [2. 内联函数的概念](#2. 内联函数的概念)
- [2. 内联函数的特性](#2. 内联函数的特性)
- 七、auto关键字
- 八、基于范围的for循环(C++11)
- [九、指针空值 nullptr](#九、指针空值 nullptr)
首先我们先要知道，C++是在C的基础之上，容纳进去了面向对象编程思想，并增加了许多有用的库。本章将会带大家了解，C++是补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的。
一、命名空间
1. namespace
在C/C++中，变量、函数等等都是大量存在的，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，namespace 关键字的出现就是针对这种问题的。
例如，我们想定义一个变量 sqrt ，直接定义在全局变量然后编译是可以通过的，例如下图：
但是，我们知道 sqrt 其实是一个库函数，它包含在 math.h 的头文件中，假设我们加上 math.h 的头文件，还能编译过吗？答案是不能，因为它们重名了，如果包含了 math.h 的头文件，编译不会通过，会报下图中的错误：
那么有没有好的解决方案呢，答案是有的，C++中就增加了 namespace 这样的关键字解决这样的问题。例如我们可以将我们需要定义的变量放入 namespace 的命名空间中，然后在使用让编译器在指定的命名空间中寻找；如果不指定编译器，编译器优先会在全局域中寻找变量；namespace 的使用：
#include <stdio.h>
#include <math.h>
// 命名空间的名字
namespace Young
{
int sqrt = 10;
}
int main()
{
printf("%d\n", Young::sqrt);
return 0;
}
上述代码的使用就是让编译器在指定的命名空间 Young 中去寻找变量 sqrt 然后使用这个变量，这样就不会与库函数中的 sqrt 函数有命名冲突了；Young 是一个可以自己命名的命名空间的名字，可以取任意名字，不一定是 Young.
像 printf("%d\n", Young::sqrt);中，sqrt 前面的 :: 符号，叫做域作用限定符，意思是让编译器使用域作用限定符前面的命名空间中定义的东西。
2. namespace 的使用场景
除了上面我们使用 namespace 在命名空间中定义变量外，还可以定义函数、结构体等；除此之外，还可以嵌套使用。例如以下代码：
namespace Young
{
//变量
int sqrt = 10;
// 函数
int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
// 结构体
struct ListNode
{
int data;
struct ListNode* next;
};
// 嵌套使用
namespace Y
{
int a = 10;
}
}
int main()
{
int ret = Young::Add(1, 2);
printf("%d\n", ret);
struct Young::ListNode node;
printf("%d\n", Young::Y::a);
return 0;
}
上述代码中主函数部分，结构体中的域作用限定符是要在 ListNode 前使用，而不是在 struct 前使用；嵌套使用 namespace 是从右往左看，到指定的命名空间中去寻找；
虽然这种方法可以有效避免命名冲突问题，但是每次用的时候都要在前面加上域作用限定符，是不是很麻烦呢？确实是，但是还有一种方法可以解决，将命名空间展开；以上面的命名空间为例，例如以下代码：
// 将命名空间展开
using namespace Young;
using namespace Y;
int main()
{
int ret = Add(1, 2);
printf("%d\n", ret);
struct ListNode node;
printf("%d\n",a);
return 0;
}
上面的代码就将 Young 和 Y 两个命名空间中的内容展开，就不用再使用域作用限定符了；除此之外，我们还可以展开部分命名空间中的内容，例如，我只展开 Add 函数出来：
// 展开部分
using Young::Add;
int main()
{
int ret = Add(1, 2);
printf("%d\n", ret);
struct Young::ListNode node;
printf("%d\n", Young::Y::a);
return 0;
}
以上就是展开部分的命名空间，通常在做项目的时候，我们都不会将命名空间展开，因为展开就会变得不安全；但是在平常我们在写代码练习的时候，可以将命名空间展开，更有利于我们练习。
二、了解 C++ 中的输入和输出
首先我们先要知道，C++中引入了不同于C语言的输入和输出，在C语言中我们使用 scanf 和 printf 作为输入和输出，但是在C++中了 cout 标准输出对象(控制台)和 cin 标准输入对象(键盘)；我们先看看它们的使用：
我们可以了解到，上述代码中的 cout 和 cin 分别叫做流插入运算符 和流提取运算符，关于这两个更多的我们在以后的学习中再介绍；其中 cout 和 cin 必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用 std ，其中 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。所以我们可以展开 std 的命名空间：
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int input;
double d;
// 自动识别类型
cin >> input >> d;
cout << input << endl << d << endl;
return 0;
}
除此之外，cin 和 cout 还可以自动识别变量的类型，如上述代码，它的输出如下图：
三、缺省参数
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。先看看缺省参数的使用：
在上面的使用中，Add 函数就是用了缺省参数，在 Add 函数定义中，它指定了 a = 100，b = 200，意思就是，当调用 Add 函数时，如果没有参数传进来，就使用它自己定义的变量；传参时，就使用指定的实参，如下图：
当然也可以只传一部分参数，但是当出现多个参数时，参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给；例如：
#include <iostream>
using namespace std;
int Add(int a = 100, int b = 200, int c = 300)
{
return a + b + c;
}
int main()
{
int a = 10, b = 20, c = 30;
int ret = Add(a);
cout << ret << endl;
return 0;
}
以上这段的代码输出结果就是 510 ，那么例如 int ret = Add(a,,c); 这种传参是不允许的。
那么我们可以给缺省参数分类 ，像上面代码中，Add()这种什么都不传的就叫做全缺省参数 ；像Add(a)或者Add(a,b)这种只传一部分的就叫做半缺省参数。
最后，我们要注意缺省参数不能在函数声明 和定义中同时出现，如果在函数声明和函数中同时出现，我们只需要在声明中给缺省值即可。
四、函数重载
1. 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。我们先看使用：
#include <iostream>
using namespace std;
void Add(int a ,double b)
{
// 打印数据方便观察
cout << "void Add(int a ,double b)" << endl;
}
void Add(double a, int b)
{
// 打印数据方便观察
cout << "void Add(double a, int b)" << endl;
}
int main()
{
Add(3, 3.14);
Add(3.14, 3);
return 0;
}
运行的结果如下：
以上代码中，我们在函数中打印数据，是为了说明编译器调用了这个函数；我们定义了两个同名的函数，但是它们的参数类型不一样，而我们在使用这两个函数的时候，传的参数也不一样，所以它们会调用各自对应的函数；
2. C++支持函数重载的原理
C++支持函数重载的原理是因为C++有自己的函数名修饰规则 。
我们知道，.cpp文件或者.c文件在生成可执行程序之前，要经过预处理，编译，汇编，链接的过程，具体回顾往期博客：预处理和程序环境；
其中，C语言在编译过程中，符号汇总将所有.c文件的函数名汇总在一起，注意，是函数名，所以在C语言中，重名的函数名在编译过程中会有冲突，编译不通过；
但是，在C++中的函数名修饰规则中，C++不是用函数名汇总在一起，而是有它自己的修饰规则，具体的修饰规则在不同的编译器有不同的修饰规则，例如：
void func(int i, double d)
{}
void func(double d, int i)
{}
这两个函数，在 g++ 编译器的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】，如图：
所以它们在编译汇总的时候是可以区分开来的。
五、引用
1. 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。先看一个简单的例子：
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int a = 10;
int& b = a;
return 0;
}
以上代码中int& b = a;就是在定义引用类型，b 就是 a 的别名，a 和 b 实际上都是指向同一个空间，a 的改变会影响 b ，b 的改变也会影响 a.
2. 引用特性
-
引用在定义时必须初始化
-
一个变量可以有多个引用
-
引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
void Test() { int a = 10; // int& ra; // 该语句编译时会出错 int& ra = a; int& rra = a; }
int& ra; 会编译出错是因为在定义时没有初始化；上述代码中，rra 是 ra 的别名，也是 a 的别名，这三个变量用的都是同一个空间，它们之间的互相改变都会影响彼此。
3. 常引用
我们在使用引用时要遵守一条规则，就是在引用的过程中，权限可以平移，权限也可以缩小，但是权限不能放大。例如：
int main()
{
const int a = 0;
// 权限的放大，不允许
//int& b = a;
// 不算权限的放大，因为这里是赋值拷贝，b修改不影响a
//int b = a;
// 权限的平移，允许
const int& c = a;
// 权限的缩小，允许
int x = 0;
const int& y = x;
return 0;
}
上述代码中，权限的放大是指，const int a = 0;const修饰的 a 变量具有常性，不可修改，是只读，但是int& b = a;代表 b 的值可修改，并且 b 的值修改会影响 a ，b 是可读可写的，但是 a 只有只读，所以这里是权限的放大；但是int b = a; 不算权限的放大，因为这里是赋值拷贝，b 的修改不影响 a.
权限的平移是指，大家都具有一样的权限，例如上述代码中的const int& c = a;此处的 c 和 a 都被 const 修饰了，大家都具有常性，所以是权限的平移，是可以的。
权限的缩小在上述代码中，int x = 0; const int& y = x;是指 x 是可读可写的，但 y 被 const 修饰了，只有只读，但是从可读可写转变成只读是允许的，这种就叫做权限的缩小。
那么我们看一下以下的语句属于什么呢？
void test()
{
int i = 0;
double& d = i;
}
首先我们应该了解清楚，如果是int i = 0; double d = i;也是可以的，因为它们之间会发生整型提升；那么我们要清楚，这个整型提升的过程中，会发生拷贝的过程，d 取的是 i 的临时拷贝，如下图，而这个临时拷贝具有常性，不可被修改，所以这里是权限的放大，是不允许的。
所以正确的语句应该如下：
void test()
{
int i = 0;
const double& d = i;
}
将 d 的属性也变成不可修改，那么它们之间就是权限的平移关系了。
4. 引用的使用场景
（1）做参数（传引用传参）
我们常见的传引用传参就是交换函数了，写一个我们常用的交换函数如下：
#include <iostream>
using namespace std;
void Swap(int* p1, int* p2)
{
int tmp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = tmp;
}
int main()
{
int a = 10, b = 20;
Swap(&a, &b);
return 0;
}
在这个交换函数中，我们需要传 a 的地址和 b 的地址过去，才能改变 a 和 b 的值；在C++中，我们可以使用引用完成同样的交换，代码如下：
void Swap(int& p1, int& p2)
{
int tmp = p1;
p1 = p2;
p2 = tmp;
}
int main()
{
int a = 10, b = 20;
Swap(a, b);
return 0;
}
使用了引用后，代码整体看起来就很舒服，不用像指针那样传地址和解引用；同时传引用传参还能提高传参的效率，因为每一次传址或者传值都是一次拷贝，每传一次就要多拷贝一次，效率很低；而引用则不需要拷贝，因为形参是实参的别名，就不用进行拷贝。
除此之外，传引用传参最舒服的地方还是在我们以前学过的单链表中，如往期博客 单链表 中，无论是头插还是尾插等等操作，都需要传二级指针才能改变链表的整体结构，而C++引入了引用之后，就不需要传二级指针了，如下代码：
void SLTPushBack(SLTNode*& phead, SLTDateType x)
{
// ...
if (phead == NULL)
{
phead = newnode;
}
else
{
//...
}
}
int main()
{
SLTNode* plist = NULL;
SLTPushBack(plist, 1);
SLTPushBack(plist, 2);
SLTPushBack(plist, 3);
return 0;
}
（2）做返回值（传引用返回）
在使用传引用返回时需要注意，不像传引用传参一样，传引用返回如果出了函数作用域对象还在的话才可以用，如果出了函数作用域对象不在就不能用；如以下代码：
int& func()
{
int n = 0;
n = 10;
return n;
}
int main()
{
int ret = func();
return 0;
}
在这段代码中，函数 func 内定义了一个变量 n，但是它的生命周期只在这个函数内，出了函数作用域它的空间就会被销毁，画图更好地理解：
如上图，func 销毁后，n 随之也会销毁，将空间归还给操作系统，但是在 main 函数中，ret 实际上是相当于访问已经销毁的 n ，这严格来说相当于野指针问题了，也就是越界访问。
但是在不同的编译器中，得出的结果却不一样，在 vs2019 中，是可以得到 n 的值，如下图：
而在 gcc/g++ 的编译器中，却报错了，如下图：
原因是因为，这取决于栈帧销毁之后，编译器是否会对已经销毁的空间初始化，如果对已经销毁的空间进行初始化，而继续对它进行访问，就是越界，像 gcc/g++ 这样的编译器，很明显在空间回收时会对空间进行初始化，所以造成越界；而 vs2019 则没有严格的检查。
拓展：那如果将代码改成如下，还能编译通过吗？
int& func()
{
int n = 0;
n = 10;
return n;
}
int main()
{
int& ret = func();
cout << ret << endl;
cout << ret << endl;
return 0;
}
这里将 ret 的接收改成了引用，也就是说，ret 是返回的 n 的别名，我们看执行结果：
第二次执行是随机值，为什么呢？原因是因为 ret 是 n 的别名，它们公用同一个空间，在执行 cout 语句时，也会发生一系列函数栈帧的创建，所以新的空间会覆盖之前的 func 所在的空间，也就是说，n 的空间被覆盖了，也就是 ret 的空间被覆盖了，所以 n 的值也就变成了随机值；第一次是 10 的原因是原来的空间并没有被覆盖。
所以就引入了另一个话题，如果 n 的空间没有被覆盖，它是不是还是 10 呢？那么我们将代码修改成以下代码：
int& func()
{
int a[1000];
int n = 0;
n = 10;
return n;
}
int main()
{
int& ret = func();
cout << ret << endl;
cout << ret << endl;
return 0;
}
在 func 函数内，我们增加了一个长度为 1000 的数组，我们先看运行结果：
这个时候又变成了 10 ，这是因为函数的栈帧中空间是向下创建的，所以在 func 函数内，先创建 1000 个空间，然后再为 n 创建空间，n 这个时候的位置是处于下方的；如果 func 销毁后，如果有新的空间覆盖，这要取决于这个空间是否比原来 func 的空间要大，如果这个空间很大，覆盖了 n ，那么 n 就会变成随机值，否则，n 还是原来的值。
那么传引用返回有什么应用场景呢？我们常见的传引用返回可以用作修改返回对象，例如在单链表中，查找函数和修改函数可以合并在一起写，使用传引用返回，这样就既可以查找到想要查找的数据，又能修改想要修改的值。例如以下代码：
int& SLFindOrModify(struct SeqList& ps, int i)
{
assert(i < ps.size);
// ...
return (ps.a[i]);
}
int main()
{
// 定义对象
struct SeqList s;
// 查找 10 这个数据，并将它修改成 20
SLFindOrModify(s, 10) = 20;
return 0;
}
（3）引用和指针的区别
现在我们都学过指针和引用了，我们可以发现，其实引用和指针很相似，在很多用法上指针可以代替引用，引用也可以代替指针，那么它们之间又有什么区别呢？我们一一分析：
引用和指针的不同点:
- 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
- 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
- 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 - 没有NULL引用，但有NULL指针
- 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) - 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
- 有多级指针，但是没有多级引用
- 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
- 引用比指针使用起来相对更安全
六、内联函数
1. #define定义宏
我们以前学过 #define定义宏，如往期博客 #define定义宏 中，宏给我们带来很多好处，如针对频繁调用的小函数，不需要建立栈帧，提高了效率；如以下代码：
#define ADD(a,b) ((a)+(b))
int main()
{
int ret = ADD(10, 20);
cout << ret << endl;
return 0;
}
以上的宏定义了两个数的相加，注意，这里宏定义的((a)+(b))不能写成(a+b)，因为考虑到运算符优先级问题，如ADD(1 | 2 + 1 & 2)这种表达式，加号优先级更高，会先执行加的操作，再执行 | 和 & ，并不是我们想要的结果。
上面的宏定义在预处理阶段是直接展开替换，所以没有建立栈帧，很好地提高了效率。
但是宏给我们带来好处的同时，必然会带来不便，如使用宏定义会容易出错，就如上面两数相加的宏，少一个括号都不行，所以宏的语法坑很多。
最后总结一下宏的优缺点：
优点：
- 没有类型的严格限制。
- 没有函数栈帧的建立，提高效率。
缺点：
- 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
- 导致代码可读性差。
- 没有类型安全的检查 。
- 容易出错，语法坑多。
2. 内联函数的概念
所以C++引入了内联函数，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。
例如以下的两数相加的内联函数：
inline int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
int main()
{
int ret = Add(10, 20);
cout << ret << endl;
return 0;
}
以上代码中，两数相加的内联函数既没有建立函数栈帧，性能有很好的体现，也没有因为运算符问题需要添加很多括号，所以内联函数是综合了宏和函数的优缺点来设计的。
2. 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。
也就是说，假设你使用了 inline，编译器也不一定会视这个函数为内联函数，因为如果这个函数的规模很大，代码量大，会造成代码膨胀，所以综合性能方面考虑，我们如果使用内联函数，尽量要简化代码。
（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。
例如我定义了一个 Test.h 的头文件，里面包含 Add 函数的声明：
inline int Add(int a, int b);
再定义一个 Test.cpp 文件，里面包含 Add 函数的实现：
#include "Test.h"
int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
然后在 main.cpp 函数中调用 Add 函数：
#include "Test.h"
int main()
{
int ret = Add(10, 20);
cout << ret << endl;
return 0;
}
最后编译出错了，如下图：
这是因为什么呢？原因是因为头文件 #include "Test.h" 会在预处理阶段在 main.cpp 文件中展开，展开之后会有函数 Add 的声明，而 Add 函数前加了内联 inline，编译器会认为它就是一个内联函数，认为它就会直接展开，所以在编译阶段没有给它一个有效的地址，也就没有进入符号表；而在 main 函数中调用了 Add 函数，它在符号表中并没有找到自己对应函数的地址，所以会出现链接错误。
七、auto关键字
在 C++11 中，auto 的含义是，auto 声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。也就是说，auto 是一个根据变量自动推导类型的关键字。
例如：
八、基于范围的for循环(C++11)
当我们需要遍历一个数组时，通常使用以下方式：
int main()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++)
{
cout << arr[i] << " ";
}
return 0;
}
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。使用范围 for 我们可以结合上面所学的 auto 关键字结合使用，例如以下代码：
如果我们需要改变数组中的值，是否像以下代码那样使用呢？
很明显，答案是不可以的，因为 e 只是数组中的数据的临时拷贝，改变临时拷贝的值不影响数组中原来的值，所以我们要加上引用：
int main()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
for (auto& e : arr)
{
e *= 2;
}
for (auto e : arr)
{
cout << e << " ";
}
return 0;
}
加上引用后，e 就是数组中的数据的别名，改变 e 也就是改变数组中的内容。
九、指针空值 nullptr
在早期设计 NULL 空指针时，NULL 实际上就是 0，所以导致有些地方使用 NULL 会造成不明确的函数调用，例如：
在以上代码中，func 构成函数重载，我们期望的 NULL 是调用 void func(int*) 函数，但是它却调用了另外一个，所以这造成了不明确的函数调用。
所以在 C++11 中，引入了 nullptr，它的类型是无类型指针(void*)，这很好地避免了以上的情况，例如下图，nullptr 是调用了具有指针类型的函数：
最后，C++ 入门的全部内容已经全部分享完啦，感觉对自己有帮助的小伙伴赶紧点赞收藏吧~感谢支持！