C++入门篇

1. 前言

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C++是对C语言的补充和完善；在C语言中，有些问题没有得到很好的解决，在C++中，针对这些问题有了解决方法；因此，在学习C++的语法过程中，会对比着C语言，比较两者的区别

2. 命名空间

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在C语言中，我们知道局部变量和全局变量的定义是可以重名的，这时想要打印重名的变量，编译器会以局部优先原则，打印局部变量

#include <stdio.h>

int x = 0;

int main()
{
	int x = 1;
	printf("%d\n", x);// 输出1

	return 0;
}

那如果我就是想要打印全局变量的那个值，该怎么办呢？

在C语言中，这个问题没有特别好的解决方案；当然，我们可以将全局变量放在一个函数中，返回该变量的值，但在C++中，引入了命名空间的概念

#include <iostream>

int x = 0;

int main()
{
	int x = 1;
	printf("%d\n", x);// 1
	printf("%d\n", ::x);// 0
	return 0;
}

在讲命名空间之间，先来说说C++中域的概念：

C++中有基本的4个域：

1. 全局域
2. 局部域
3. 命名空间域
4. 类域

编译器在查找一个变量时：

• 如果该变量没有指定域，那么先去局部域查找，找不到再去全局域查找
• 如果该变量指定了域，那么直接去指定域查找

上面的【::】叫做域作用限定符，如果【::】的前面什么都不加，表示指定了变量x在全局域中，因此编译器就会直接去全局域中找名为x的变量

2.1 命名空间的定义

命名空间的定义与结构体类似，namespae是命名空间的关键字

#include <iostream>

//命名空间的定义
namespace v
{
	int x = 0;
}

int main()
{
	int x = 1;
	printf("%d\n", x);// 1
	printf("%d\n", v::x);// 0
	return 0;
}

2.2 命名空间用处

上面说到，命名空间可以在两个域的变量重名的情况下，输出指定的域的变量，但命名空间更多是为了解决文件中变量重名的问题

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

int rand = 10;

int main()
{
	printf("%d\n", rand);
	return 0;
}
//由于头文件<stdlib.h>展开后，有个rand()函数，跟我们定义的rand变量重名了，因此编译器会报错
//这时可以对变量rand使用命名空间

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

namespace v
{
	int rand = 10;
}

int main()
{
	printf("%p\n", rand);// 打印的是库函数rand()的地址
	printf("%d\n", v::rand);// 打印命名空间域中的变量rand
	return 0;
}

同样的，在多个文件中，可以会出现重名的变量，结构体，函数名等，这时可以对它们使用命名空间

除了使用命名空间域::变量的方式，我们还可以将命名空间展开

namespace v
{
	int a = 10;

	int Add(int a, int b)
	{
		return a + b;
	}
    
    struct QNode
	{
		int val;
		struct QNode* next;
	};
}
//上面一段代码在其他文件中定义

#include <iostream>
#include "List.h"
using namespace v;// 命名空间展开

int main()
{
	printf("%d\n", a);// 10
	printf("%d\n", Add(10, 20));// 30
    struct v::QNode node1;
	return 0;
}

3. C++中的输入输出

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#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int n = 0;
	cin >> n;
	cout << "n = " << n << endl;
	return 0;
}

上面的代码是C++中一个简单的输入输出

• cout，endl，cin是C++库中的函数，使用时必须引用头文件
• cout是标准输出函数(控制台)；cin是标准输入函数(键盘)；endl表示换行
• << 是流插入运算符；<< 是流提取运算符

相较于C，C++的输入输出函数会自动识别数据类型，不需要像C那样，在输入输出时指定数据类型

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	char ch = 0;
	int i = 0;
	double d = 0;
	char arr[10] = { 0 };
	cin >> ch >> i >> d >> arr;
	cout << ch << " " << i << endl;
	cout << d << " " << arr << endl;
	return 0;
}
//输入c 10 3.2 abcdef
//输出c 10 3.2 abcdef

4. 缺省参数

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4.1 缺省参数的概念

C语言中，调用函数时必须写明实参，否则编译器会报错；C++中，可以不写明实参，而在形参中指定一个缺省值；当然，如果指定了实参，形参是实参的值

• 在调用有缺省参数的函数时，可以不指定实参，但如果要指定实参，必须从左往右给，不能间断

int  Add(int a = 10, int b = 20)
{
	return a + b;
}

int main()
{
	int ret = Add();
	cout << ret << endl;// 30
	
	ret = Add(1);
	cout << ret << endl;// 21

	ret = Add(1, 2);
	cout << ret << endl;// 3

	return 0;
}

4.2 缺省参数的类型

1. 全缺省参数：

   每个形参都有缺省参数

   int  Add(int a = 10, int b = 20, int c = 30);

2. 半缺省参数

   部分参数有缺省参数

   • 半缺省参数必须从右往左给，不能间断

   int  Add1(int a, int b, int c = 30);
   
   int  Add2(int a, int b = 20, int c = 30);

注意：同一个形参不能在函数的声明和定义都有缺省参数，否则编译器会报错

//error
int Add(int a, int b = 10);

int Add(int a, int b = 10)
{
    return a + b;
}

之后我们写代码，避免不了要在头文件中声明函数，在源文件中定义函数，此时想要使用缺省参数，应该在函数的声明时使用，还是在函数的定义中使用呢？答案是要在函数的声明时使用缺省参数

为什么必须要在函数的声明时使用缺省参数呢？

因为如果是在函数定义使用缺省参数，进行语法检查时，会发现形参和实参不匹配

int Add(int a, int b);

int Add(int a, int b = 10)
{
	return a + b;
}

int main()
{
	int ret = Add(1);
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

4.3 缺省参数的使用

有了缺省参数，我们更加灵活的使用函数调用

• 我们之前写的顺序表中，起始空间是定好的，当空间不够了进行增容，但如果我已经知道需要多大的空间，比如100个元素的大小，按照原来的代码，还要扩容；在C++中，可以将指定的大小作为缺省参数，一次性开辟

void SeqInit(SeqList* psl, int n = 4);

void SeqInit(SeqList* psl, int n)
{
    //...
}

int main()
{
	//开辟100个元素的空间
	SeqList sl;
	SeqInit(&sl, 100);

	//开辟10个元素的空间
	SeqList s2;
	SeqInit(&sl, 10);

	//不清楚开辟的空间
	SeqList s3;
	SeqInit(&sl);

	return 0;
}

5.函数重载

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C语言中不允许定义同名的函数，在C++中，只要参数不同，即使函数名相同，这两个函数也能正常使用

函数重载的底层原理是什么呢？在讲这个问题之前，需要了解一下文件的编译过程

我们都知道，编译一个文件分为预编译，编译，汇编和链接这几个步骤：

• 预编译：会将头文件展开，宏替换，条件编译，去注释等一系列操作
• 编译：首先从上往下进行语法检查，如果遇到不认识的函数或变量，会报错并停止编译；但如果函数或变量提前声明过，则编译器会通过语法检查，并将源代码转换成汇编代码
• 汇编：将各种符号汇总，生成符号表；如果函数有定义，则会根据函数名和函数地址，生成符号表，而如果函数只有声明，符号表只会包含函数名；最后转换成二进制代码
• 链接：对于没有确定符号表的文件，会根据符号表的函数名去其他文件的符号表一一寻找，如果没有找到，表示链接失败；最后将文件合并

C语言中，仅仅根据函数名来生成符号表；因此如果两个函数的函数名相同，在链接过程中就无法区分两个函数；而C++生成符号表还根据返回值，参数类型，因此即使两个函数的函数名相同，只要参数不同，它们最终生成的符号表就不会相同

不同的编译器符号表的命名规则不同，这里就拿Linux的举例

6. 引用

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6.1 引用的概念

C语言有个非常关键的概念，叫指针；想要在函数中修改函数外的内容，C语言中大部分都是使用指针；甚至有些地方不得不使用二级指针；C++创始人Bjarne Stroustrup在使用指针的时候，发现指针不方便使用和代码的阅读，于是在指针的基础上，加入了引用的概念

• 引用，简单点讲是取别名；对一个变量引用，相当于给该变量取别名

int main()
{
	int a = 0;
	int& b = a;
	int& c = b;
	return 0;
}
// b和c都是a的别名，三者的地址是一样的，对任意一个变量修改都会影响到其他两个变量

引用的特性：

• 引用的对象必须初始化
• 可以对一个对象多次引用
• 一旦引用一个实体，就不能再引用其他实体

6.2 引用的用法

1. 做参数

   在C语言中，如果想用函数实现两个数的交换，函数的形参类型必须是指针，同时必须解引用指针；C++中只需将参数改成引用，就可以访问函数外的对象了

   //C
   void Swap(int* p1, int* p2)
   {
   	//...
   }
   
   //C++
   void Swap(int& p1, int& p2)
   {
   	int temp = p1;
   	p1 = p2;
   	p2 = temp;
   }

2. 做返回值

   int Add(int a, int b)
   {
   	int c = a + b;
   	return c;
   }
   
   int main()
   {
   	int ret = Add(1, 2);
   	return 0;
   }

   上述代码中，我们可能会有疑惑，Add函数调用结束后栈帧被销毁了，为什么还能得到c的值；实际上，Add函数在返回之前，将c的值存储在寄存器当中，ret接受到的值其实是寄存器中的值；再来看看下面的代码

   int& Add(int a, int b)
   {
   	int c = a + b;
   	return c;
   }
   
   int main()
   {
   	int& ret = Add(1, 2);
   	cout << ret << endl;// 打印3
   	Add(3, 4);
   	cout << ret << endl;// 打印7
   	return 0;
   }

   将返回值改成引用，发现并没有修改ret的值自己被修改了

   
   因此，想要用引用做返回值，返回对象的空间必须是栈帧销毁后仍然存在，比如堆，静态区上的空间

6.3 引用和指针的区别

从底层的角度看，引用其实还是指针

1. 没有多级引用，有多级指针
2. 引用和实体公用一块空间，指针自己有空间
3. 引用在定义时必须初始化，指针可以初始化也可以不初始化
4. 引用不能改变指向，指针可以

7.内联函数

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我们都知道，调用函数需要建立栈帧；但如果函数足够简单，而调用的次数又非常多，建立栈帧效率非常低；C++中被inline修饰的函数叫做内联函数，被修饰后，函数不会开辟栈帧，而是在调用的地方展开，以提高程序的效率

inline是一种以空间换时间的做法，可能会使代码变长，但在一定程度上提高程序效率

inline只适用于规模较小的函数，对于递归或规模大一些的函数，即使加了inline修饰，编译器也不会展开

8.auto关键字

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auto可以自动识别数据类型，当一些变量的类型很长，而我们又需要对它进行修改，可以考虑使用auto

int Add(int a, int b){}
int Del(int a, int b) {}

int main()
{
	int (*p)(int, int) = Add;
	auto p = Del;
	return 0;
}

使用auto声明指针时，auto和auto*没有区别；声明引用时，auto必须加&

int main()
{
	int a = 10;
	auto p1 = &a;
	auto* p2 = &a;
	auto& c = a;

	return 0;
}

9.范围for循环

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在C语言中，通常使用下面的方式去遍历数组

int main()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int sz = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		cout << array[i] << endl;
	}
	return 0;
}

在C++中，我们可以更加写的更加简化

int main()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	for (auto& e : array)
	{
		cout << e << endl;
	}
	return 0;
}

10.C++中的空指针

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C++中，指针表示空最好不好使用NULL，因为NULL在C++中被定义成了0，有可能引起传参的错误，而应当使用nullptr，这时C++中定义的关键字，使用时不需要包含头文件

void Fun(int n)
{
	cout << "Fun1(int n)" << endl;
}

void Fun(int* p)
{
	cout << "Fun2(int* p)" << endl;
}

int main()
{
	Fun(0);// 打印Fun1(int n)
	Fun(NULL);// 打印Fun1(int n)
	Fun(nullptr);// 打印Fun2(int* p)

	return 0;
}

0;

}

在C++中，我们可以更加写的更加简化

```C++
int main()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	for (auto& e : array)
	{
		cout << e << endl;
	}
	return 0;
}

10.C++中的空指针

---

C++中，指针表示空最好不好使用NULL，因为NULL在C++中被定义成了0，有可能引起传参的错误，而应当使用nullptr，这时C++中定义的关键字，使用时不需要包含头文件

void Fun(int n)
{
	cout << "Fun1(int n)" << endl;
}

void Fun(int* p)
{
	cout << "Fun2(int* p)" << endl;
}

int main()
{
	Fun(0);// 打印Fun1(int n)
	Fun(NULL);// 打印Fun1(int n)
	Fun(nullptr);// 打印Fun2(int* p)

	return 0;
}