C++:与C语言相比的特点

命名空间

先看到一段C语言的代码：

cpp 复制代码

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

int rand = 1;

int main()
{
    printf("%d", rand);
    return 0;
}

这段代码看似没有问题，但是运行后，编译器会报出"rand重定义"的问题。

这是因为我们引入了头文件stdlib.h ，而其内部有rand 函数，用户的变量名与头文件冲突了。

这该这么解决？

在C语言中，好像没有什么很好的办法，让不同头文件中的同名变量共存，只能让其中一者改变自己的变量名。

C++设计者认为这个特性不利于项目合作，当我们对多个员工编写的C语言代码进行合并时，就有可能出现这个问题，此时只能让其中一者修改代码。

C++为此设计了一种新的域：命名空间域。

命名空间域

在不同的域中，是可以存在同名变量的，而C语言只存在局部域与全局域两种域。C++的命名空间域则是一种可以根据用户需要自己定义的域。

现在当前作用域查找

如果当前作用域查找不到，就向上级作用域查找

直到查找到全局作用域，如果此时还没有，编译器报错

命名空间域有以下特性：

当两个命名空间域重名，两个域内部的代码会合并

作用域可以嵌套

变量，结构体，函数等等都可以写入这个域中

域作用限定符

**::**是C++中的域作用限定符，将其放在变量前，可以改变此变量的查找规则，使之直接到指定域中查找。

此外：域作用限定符左侧没有值时，默认到全局变量查找。

这一点很重要，因为在基本的查找规则中，是先查找局部作用域，再查找全局作用域的。而当::左侧没有值时，会直接跳过局部变量，在全局中查找。

比如以下代码：

cpp 复制代码

int a = 3;

int main()
{
	int a = 4;
	printf("%d", ::a);
	return 0;
}

上述代码的输出结果是3。

虽然在局部中有一个a = 4，但是::a会直接跳过局部，直接去全局查找，所以最后输出了3.

访问嵌套的命名空间域：

想要访问嵌套的命名空间域，只需要依据从外层->内层的顺序，利用::将每个名称分隔开，就可以访问了，如下：

cpp 复制代码

namespace A
{
	namespace B
	{
		namespace C
		{
			int a = 2;
		}
	}
}

int main()
{
	printf("%d", A::B::C::a);
	return 0;
}

我们可以按照如下方式解决不同文件变量可能存在冲突的问题：每个.cpp文件最外层，用一个命名空间域包含起来，后续引入文件时，每个人编写的文件独自享有一个域，就不会发生冲突问题了。

user1.cpp：

cpp 复制代码

namespace user1
{
	int a = 0;
	int b = 1;

	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}

user2.cpp：

cpp 复制代码

namespace user2
{
	int a = 1;
	int b = 0;

	float Add(float x, float y)
	{
		return x + y;
	}
}

每一份.cpp文件都用一个命名空间域包在最外层，需要使用谁的代码时，就到哪一个空间域中查找。

展开命名空间域

所谓展开命名空间域，就是对某个空间域进行展开，将其内部的变量放到全局中。也就是说，一个空间域的内容，经过展开后就会变成全局变量，而变量查找规则中，最后一层就是在全局中查找，所以可以不使用::就访问到想要的变量。

using namespace (名称);

但是有时候我们并不是需要一个命名空间域中的所有内容，如果将整个空间域展开有些没必要。
此时我们可以使用部分展开：

using (名称)::(变量名)

缺省参数

全缺省参数

缺省参数是值可以为函数的参数设置初始值，如果调用时没有传入参数，则此参数以初始值调用函数。

cpp 复制代码

int Add(int x = 5, int y = 10)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1);
	Add();

	return 0;
}

上述代码中，我们定义了一个函数Add，其带有两个参数x和y，其中为x设置初始值x = 5，给y设置初始值y = 10。

第一次调用Add(1, 2);为xy都传了参数，此时完成的是1 + 2。

第二次调用Add(1);只为x传入了参数，此时y以初始值调用此函数，完成的是1 + 10。

第三次调用Add();没有传入参数，此时x和y都以初始值调用此函数，完成的是5 +10。

这种参数缺省叫做全缺省参数，即所有的参数都赋予了初始值，哪怕一个参数都不传，也可以调用函数。
注意：传入参数必须从左往右传入，不能有空缺。

半缺省参数

半缺省参数是指，缺省参数时，有一些值不赋予初始值，必须传入值。

要注意：半缺省参数中不赋予初始值的参数，必须从左往右连续，不可以间断地缺省。

cpp 复制代码

int Add(int x = 5, int y, int z = 20)
{
	return x + y + z;
}

这种代码就是错误的！！！

最后还有一个注意点：不能在声明和定义时同时缺省参数。

当函数的声明和定义中都出现了缺省参数，如果声明和定义缺省不一样，此时编译器不知道是听谁的，因此，缺省参数不能同时存在与声明和定义中。

看到一个示例：
**test.h**文件中：

cpp 复制代码

void func(int a = 10);

**test.cpp**文件中：

cpp 复制代码

void func(int a = 10)
{
	cout << a * 5 << endl;
}

那么应该在什么地方进行缺省呢？

答案是在声明中

假设只存在于定义中 ：函数的声明和定义是在链接阶段才会合在一起，在编译阶段，.h 和 .cpp是在各走各的。在编译阶段，在头文件.h 中，func函数的参数是(int a)，编译器并不知道我们在定义中设置的参数的缺省值，因此会发生编译报错。

假设只存在于声明中：函数编译调用函数时主要寻找函数声明，找到函数声明即找到函数地址，这样可以在链接阶段通过函数地址找到函数定义运行，所以在声明时缺省可以让编译器识别传参个数正确与否，从而编译不会报错。

函数重载

函数重载是指C++允许在同一作用域中声明的同名函数，但是其必须遵守一项规则：保证同名函数的形参列表不同。

形参列表不同就是要求满足以下三者之一：

函数的参数个数不同

函数的参数类型不同

函数的参数类型的顺序不同

引用

基本语法

C++的引用是一种特殊的变量类型，用于给已经存在的变量起一个别名。通过引用，我们可以通过一个已存在的变量名来访问和操作另一个变量的值。

引用可以被看作是一个已存在变量的别名，引用和被引用的变量始终指向同一块内存空间，对引用的操作实际上就是对被引用变量的操作。

引用的语法如下：

type& 别名 = 变量名;

其中，**type**是被引用变量的类型。

需要注意的是，引用不同于指针，它不能指向空值或者没有初始化的变量。因此，在定义引用时必须保证所引用的变量已经存在，并且在定义引用时必须进行初始化。

也就是说下面的语句是非法的：

cpp 复制代码

int& a;

引用其实不单单只是代替指针这么简单，其还可以作为返回值，参数等。

按引用传递

C++中的按引用传递是一种参数传递方式，它允许函数通过引用来操作调用者提供的实参。

按引用传递是将实参的引用传递给形参。

按引用传递的语法是在函数的参数前加上&符号。例如，以下的函数原型中使用了按引用传递：

cpp 复制代码

void Function(int& x);

按引用传递有以下几个作用：

通过引用传递参数可以避免对大型对象的复制。当传递一个大型对象时，按值传递会进行一次复制操作，而按引用传递只需要传递对象的引用而不需进行复制，从而提高了程序的效率。
通过引用传递参数可以实现函数对实参的修改。在函数内部，通过引用可以直接操作实参，对实参的修改会在函数外部产生影响。而按值传递只能修改函数内部的形参副本，对实参没有影响。

按引用传递是一种高效且灵活的参数传递方式，可以减少内存的复制操作，实现对实参的修改。在C++中，通过引用传递可以提高程序的效率和可读性。

返回引用

在C++中，返回引用是指从函数中返回一个引用类型的值。返回引用的主要目的是允许函数返回一个对于某个变量的引用，从而允许在函数外部对该变量进行修改。

返回引用的主要用途有以下几个：

允许函数直接修改函数外部的变量。
允许在函数调用中连续进行操作，类似于链式操作。
优化性能，避免创建临时对象。

下面通过案例来分别说明这几个功能：

允许函数直接修改函数外部的变量：
cpp 复制代码
```
int& increment(int& num) {
  num++;
  return num;
}

int main() {
  int num = 5;
  increment(num) = 10;
  cout << num << endl;  // 输出为 10
  return 0;
}
```
在上面的例子中，increment函数返回了对num的引用。在main函数中，我们可以直接对increment(num)进行赋值操作，相当于对num进行了修改。
允许在函数调用中连续进行操作：
cpp 复制代码
```
int& add(int& num, int value) {
  num += value;
  return num;
}

int main() {
  int num = 5;
  add(add(num, 3), 2);
  cout << num << endl;  // 输出为 10
  return 0;
}
```
在上面的例子中，add函数返回了对num的引用。我们可以连续调用add函数，每次都对num进行修改。

优化性能，避免创建临时对象：

cpp 复制代码

string& concatenate(string& str1, const string& str2) {
  str1 += str2;
  return str1;
}

int main() {
  string str1 = "Hello";
  string str2 = " World";
  concatenate(str1, str2) += "!";
  cout << str1 << endl;  // 输出为 "Hello World!"
  return 0;
}

在上面的例子中，concatenate函数返回了对str1的引用。通过返回引用，我们可以直接对str1进行修改，避免了创建临时对象。在调用concatenate函数的时候，我们可以将返回的引用与另一个字符串连接操作进行连续调用。

需要注意的是，返回引用时，被返回的变量应该仍然存在（即出了作用域变量的生命周期还没结束），否则返回的引用就会变成悬空引用，可能导致不可预期的行为。此外，如果返回引用指向了一个局部变量，函数返回后该变量将被销毁，返回的引用将变得无效。因此，返回引用时需要确保引用的有效性。

引用与指针的区别

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
引用自加即用的实体增加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

内联函数

在讲解内联函数前，我们前看看C语言中的宏的缺点。

C语言宏的缺点有以下几个：

1.没有类型检查: 宏是在预处理阶段进行替换，没有类型检查的机制。因此，使用宏时要特别小心，否则可能会出现类型不匹配的错误。

2.可读性差: 宏通常会展开为较长的代码，可能会使代码变得难以阅读和理解。特别是在宏内部使用复杂的表达式或多行代码时，会使代码的可读性大大降低。

3.可能引起副作用: 宏通常会直接对参数进行替换，可能会导致意外的副作用。例如，一个宏可能会多次计算参数的值，如果参数是一个函数调用或者是一个带有副作用的表达式，那么可能会引发错误。

4.可能导致重复的代码: 使用宏可能导致代码中出现大量的重复代码。当多个地方使用相同的宏时，如果需要修改宏的实现方式，就需要修改所有使用该宏的地方，增加了代码维护的复杂性。

5.调试困难: 宏在展开后的代码中看不到宏本身的定义，因此在调试时很难跟踪和查找问题。由于宏在编译阶段被替换，调试器无法直接定位到宏的定义位置，这给调试带来了一定的困难。

C++认为宏是一个不太好的特性，于是在C++中推荐使用**enum** 枚举和**const** 替换掉宏常量。用内联函数inline替换掉宏函数。

被inline修饰的函数叫做内联函数，在编译时C++编译器会在调用内联函数的地方将内联函数展开，不额外创建栈帧来执行函数，提高程序的效率。

本质上是函数指令在执行处直接展开。所以如果宏函数非常长，那么对其展开时会导致代码重复性非常高，这已经违背了函数设计的初衷：代码复用。

所以内联函数有另外一个特性：当函数体内部代码长度超过一定值时，其会转化为普通函数，不会直接展开，而是创建栈帧，防止代码冗余。

auto

在C++中，auto关键字可以用来自动推断变量的类型，它在编译时会根据初始化表达式的类型来确定变量的类型。

auto与指针和引用结合

auto也可以自动推断指针的类型，比如这样：

cpp 复制代码

int x = 10;
auto y = &x;

此时y的类型自动判别为int*。

那么我们可不可以为auto加上*来识别指针？

cpp 复制代码

int x = 10;

auto* a1 = x;
auto* a2 = &x;
auto a3 = &x;

在auto* a1 = x;中，x的类型是int，那么auto本应将其值判别为int，但是由于auto*被*限制了，此时auto必须得到一个指针，所以编译器会报错；而auto* a2 = &x;得到的就是指针，此时代码不会报错，可以正常识别为int*。

在本质上auto* a2 = &x;和auto a3 = &x;的结果是没有区别的，只是auto*要求得到的必须是一个指针类型，而auto不限制其类型。

同理的auto&会要求必须是一个引用类型，否则会报错。

auto也有许多限制，要注意以下问题：

auto不能作为函数的参数
auto不能用于声明数组
在同一行定义多个变量时，如果将auto作为其类型，必须一整行都是同一个类型的变量。

范围for循环

范围for循环是C++11引入的一种新的循环结构，它可以方便地遍历数组或者其他具有迭代器的对象。

范围for循环的语法如下：

cpp 复制代码

for (auto element : collection) {
   // 执行语句
}

其中，element 是一个临时变量，用来存储集合中的每个元素的副本，collection 是一个可迭代的对象，可以是数组或者其他具有迭代器的对象。

其中auto也可以换为int，float等类型，只是结合auto会更好用。

cpp 复制代码

int main() {
   int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};

   for (auto element : numbers) {
      cout << element << " ";
   }

   return 0;
}

输出结果为：1 2 3 4 5

在上面的例子中，我们定义了一个整型数组 numbers，范围for循环遍历了整个数组，每次迭代将数组中的一个元素赋值给临时变量 element，然后我们将该元素输出到控制台。

如果你希望修改这个数组内部的值，可以在auto后加上&，将其变为一个引用。

cpp 复制代码

   for (auto& element : numbers) {
      element *= 2;
   }

nullptr

在C++11标准中，引入了nullptr关键字来表示空指针。C++推荐使用nullptr而不是使用传统的NULL宏定义。

NULL在传统的C++中只是一个宏定义为0，会被隐式转换为整型，这可能导致一些类型安全性问题。nullptr不会被隐式转换为其他类型，只能赋值给指针类型，从而避免了潜在的类型错误。

其次是代码清晰度，nullptr相比于NULL更加直观明了，能够更好地表示空指针的含义即null + ptr，null表示空ptr表示指针。这样可以提高代码的可读性。

所以在C++中，定义一个空指针最好用nullptr。