【C++那些事儿】C++入门 | 命名空间 | 缺省参数 | 引用 | 内联函数 | auto关键字 | 范围for循环 | nullptr

江池俊2024-02-25 17:05


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前言

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，以及编程范式等。熟悉C语言之后，对C++学习有一定的帮助，本章节主要目标：

  1. 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，比如：作用域 方面、IO 方面、函数 方面、指针 方面、宏 方面等。
  2. 为后续 类和对象 学习打基础。

1. C++关键字(C++98)

C++总计63个关键字，C语言32个关键字

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 extern operator switch virtual register
const false private template void true
const_cast float protected this volatile while
delete goto reinterpret_cast

2. 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。

cpp 复制代码 
#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"

2.1 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。

cpp 复制代码 
// lzf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 lzf
{
	// 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;
	}
}

注意 ：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中的所有内容都局限于该命名空间中

2.2 命名空间使用

命名空间中成员该如何使用呢？比如：

cpp 复制代码 
namespace lzf
{
	// 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：

  • 加命名空间名称及作用域限定符（命名空间前缀）
    当定义了一个命名空间后，可以通过在实体名称前加上命名空间名称和作用域限定符(::)来显式指定要使用的特定命名空间的实体。
cpp 复制代码 
int main()
{
    // 使用命名空间前缀来调用变量 
    printf("%d\n", lzf::a);
    return 0;    
}
  • 使用using将命名空间中某个成员引入
    可以在特定的作用域内使用using声明来引入命名空间中的一个或多个实体，这样就可以直接使用这些实体而无需每次都加上命名空间前缀。
cpp 复制代码 
// 使用using声明来引入命名空间中的变量 b
using lzf::b;
int main()
{
	printf("%d\n", lzf::a);
	 // 现在可以直接调用变量 b，无需前缀
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}
  • 使用using namespace 命名空间名称 引入
    也可以使用using声明来引入整个命名空间，这样命名空间中的所有实体都将被引入到当前作用域中。
cpp 复制代码 
using namespace lzf;
int main()
{
    // 现在可以直接调用命名空间中的所有变量和函数，无需前缀
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", b);
	printf("%d\n", Add(10, 20));
	return 0;
}

3. C++输入&输出

新生婴儿会以自己独特的方式向这个崭新的世界打招呼，C++刚出来后，也算是一个新事物

那C++是否也应该向这个美好的世界来声问候呢？我们来看下C++是如何来实现问候的。

cpp 复制代码 
#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。
  5. 实际上 cout 和 cin 分别是 ostream 和 istream 类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识，我们这里只是简单学习他们的使用。

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<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使 < iostream > + std 的方式。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a;
	double b;
	char c;

	// 无需使用格式化输入控制，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;
}
// ps：关于cout和cin还有很多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等等。
// 因为C++兼容C语言的用法，这些又用得不是很多，我们这里就不展开学习了。后续如果有需要，可以自行配合文档学习。

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。

4. 缺省参数

4.1 缺省参数概念

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。

cpp 复制代码 
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;
}

4.2 缺省参数分类

  • 全缺省参数
cpp 复制代码 
void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
}
  • 半缺省参数
cpp 复制代码 
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. 缺省参数只能用于函数声明中，不能用于函数定义中。

缺省参数只能用于函数声明中，不能用于函数定义中，主要是因为在C++中，函数的定义和声明在编译过程中有不同的作用。

  1. 函数声明（Function Declaration）：函数声明主要用于告诉编译器函数的名称、参数列表以及参数类型。这允许编译器在编译阶段检查函数调用的正确性，即使函数的具体实现（即函数定义）尚未出现。

  2. 函数定义（Function Definition）：函数定义提供了函数的实际实现，即函数体中的代码。这是编译器生成函数实际执行代码所必需的。

当我们在函数声明中使用缺省参数时，我们实际上是在告诉编译器，如果在调用函数时没有提供某个参数的值，那么应该使用哪个默认值。这种信息在编译阶段就需要知道，以便编译器可以进行类型检查和生成正确的代码。

如果在函数定义中使用缺省参数，那么这将导致以下问题：

  • 类型检查问题：如果只在函数定义中提供缺省参数，那么在函数声明中就没有这些参数的信息。这意味着，在编译阶段，编译器无法检查函数调用中是否提供了正确的参数数量和类型。

  • 多文件编译问题：在C++的多文件项目中，函数定义通常在一个文件中，而函数声明则在头文件中。如果缺省参数只出现在定义中，那么在其他文件中包含该头文件时，编译器将无法知道这些缺省参数的存在，导致编译错误。

  • 代码可读性和维护性：将缺省参数分散在函数定义和声明中可能会降低代码的可读性和可维护性。理想情况下，函数的所有相关信息（包括参数和它们的缺省值）应该集中在一个地方，即函数声明中。

因此，为了保持类型检查的一致性、支持多文件编译以及维护代码的可读性和可维护性，C++规定缺省参数只能出现在函数声明中。

  1. 缺省参数的值在编译时确定，而不是在运行时确定。
  2. 缺省值必须是常量或者全局变量
  3. C语言不支持（编译器不支持）

5. 函数重载

自然语言中，一个词可以有多重含义，人们可以通过上下文来判断该词真实的含义，即该词被重载了。

比如：以前有一个笑话，国有两个体育项目大家根本不用看，也不用担心。一个是乒乓球，一个是男足。前者是"谁也赢不了！"，后者是"谁也赢不了！"

5.1 函数重载引入

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。

1、参数【类型】不同构成重载
cpp 复制代码 
// 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】不同构成重载
cpp 复制代码 
// 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】不同构成重载
cpp 复制代码 
// 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;
}

5.2 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 。欲知详情请跳转：程序环境+预处理

  1. 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【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。那么怎么办呢？
  2. 所以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。
  4. 由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。
  5. 通过下面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】 。
    • 采用C语言编译器编译后结果

      结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。
    • 采用C++编译器编译后结果

      结论：在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息添加到修改后的名字中。

PS：

  • g++ 是 GNU C++ 编译器的命令行工具，用于编译 C++ 代码。-o 是 g++ 的一个选项，用于指定输出文件的名称。当你使用 g++ 编译一个或多个源文件时，默认情况下，它会生成一个名为 a.out 的可执行文件（在 UNIX 和 Linux 系统中）。通过使用 -o 选项，你可以自定义这个输出文件的名称。

  • objdump 是一个用于显示二进制文件信息的命令行工具，它主要用于显示可执行文件、目标文件、共享库和内核映像的信息 。当你使用 -s 选项时，objdump 会显示指定 section（段）的 原始字节内容（即在Linux下查看反汇编）。

    • Windows下名字修饰规则
      在Windows环境下 VS编译器中，C++的函数名修饰规则为 【? + 函数名 + @@YA + 返回值 + 参数1 + 参数2 + @Z】，int类型对应的是字母H，void类型对应的是字母X，double类型对应的是字母N，float类型对应的是字母M。其中@@YA中的A表示函数调用类型为"_cdecl"（还有其他的函数调用类型如"__stdcall"、"__fastcall"等）
函数签名 修饰后名称
int func(int) ?func@@YAHH@Z
float func(float) ?func@@YAMM@Z
int C::func(int) ?func@C@@AAEHH@Z
int C::C2::func(int) ?func@C2@C@@AAEHH@Z

对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的。

  1. 通过这里就理解了C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载。
  2. 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。

6. 引用

6.1 引用概念

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。

比如：李逵 ，在家称为 "铁牛" ，江湖上人称 "黑旋风" 。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

cpp 复制代码 
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

6.2 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（故C++的引用，对指针使用比较复杂的场景进行一些替换，让代码更简单易懂，但是不能完全替代指针）
cpp 复制代码 
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);
}

6.3 常引用

在C++中，"常引用"（const reference）是一种特殊的引用类型，它引用的对象不能被修改。常引用在多个场合都非常有用，特别是在函数参数传递和函数返回值中。

cpp 复制代码 
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; // 隐式类型转换会产生临时变量，临时变量具有常性
}

注意：隐式类型转换时会产生临时变量，临时变量具有常性

6.4 使用场景

1. 做参数

通过引用传递参数可以避免复制大型对象，提高程序的效率。此外，通过引用传递参数还可以使函数修改调用者提供的变量的值。当不希望函数内部修改参数的值时，可以使用常引用。

cpp 复制代码 
void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
2. 做返回值

函数可以返回引用，这样可以使函数返回一个可修改的对象，而不是返回对象的副本（拷贝）。这在重载赋值运算符和数组下标运算符等场景下非常有用。同样，当想返回一个对象但又不希望这个对象被修改时，可以使用常引用。

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

引用提供了一种更加安全和简洁的方式来访问和操作数据，相对于指针来说，它不需要进行额外的空指针检查和解引用操作。

思考题

下面代码输出什么结果？为什么？

cpp 复制代码 
int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

这段代码的输出结果是未定义的。原因是函数返回的是局部变量的引用，在函数结束后该变量的空间被释放，我们无法去使用这块空间，所以最后输出的结果是未定义的。

未定义行为是C++中的一个概念，它意味着程序的行为不是由语言标准规定的，因此，不同的编译器或运行环境可能会产生不同的结果，或者程序可能会崩溃。

为了避免这种情况，我们应该避免返回局部变量的引用。如果想在函数内部计算值并在函数外部使用，可以返回该值的副本（即值本身，而不是引用）。如果需要返回引用，那么该引用必须引用一个在整个函数外部可见且生命周期足够长的对象。

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，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。

6.5 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的拷贝，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。

1、值和引用的作为函数参数的性能比较
cpp 复制代码 
#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;
}

int main()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}
2、值和引用的作为返回值类型的性能比较
cpp 复制代码 
#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;
}

int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

通过上述代码的比较，发现传值和引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

6.6 引用和指针的区别

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。

cpp 复制代码 
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。

cpp 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;

	int& ra = a;
	ra = 20;
	
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	
	return 0;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

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

7. 内联函数

PS：头文件中定义一个函数，如果该头文件在多个位置被包含，那么就会出现函数重定义的问题，编译器报错，那么这个问题该如何解决呢？

有三种方法：

  1. 声明和定义分离（防止链接冲突）

    只在头文件中进行函数声明，而不是定义函数。然后，在源文件中实现这个函数。这样，即使头文件被多次包含，也不会出现重定义的问题。

  2. static静态函数，链接属性，只在当前文件可见

    在C++中，可以将函数定义为静态的。这意味着函数只在定义它的文件内部可见（底层就是此函数不会进符号表，不能声明和定义分离）。这样，即使函数在多个文件中被包含，也不会出现重定义的问题。

  3. inline内联函数（不能声明和定义分离）

    原理与static相似，函数不进符号表

7.1 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。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

查看方式：

  1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
  2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2022的设置方式)


7.2 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。下图为
    《C++prime》第五版关于inline的建议：
  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。
cpp 复制代码 
// F.h
#include <iostream>
using namespace std;

inline void f(int i); // 无函数地址

// 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 __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用 */

【面试题】

宏的优缺点？

优点：

  1. 增强代码的复用性。
  2. 提高性能。

缺点：

  1. 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
  2. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
  3. 没有类型安全的检查 。
C++有哪些技术替代宏？
  1. 常量定义 换用 const enum
  2. 短小函数定义 换用内联函数\

8. auto关键字(C++11)

8.1 类型别名思考

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：

  1. 类型难于拼写
  2. 含义不明确导致容易出错
cpp 复制代码 
#include <string>
#include <map>

int main()
{
	std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, 
										  { "orange", "橙子" },
	                                      {"pear","梨"} };
	std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过 typedef 给类型取别名，比如：

cpp 复制代码 
#include <string>
#include <map>

typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
	Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
	Map::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

使用 typedef 给类型取别名确实可以简化代码，但是 typedef 又会遇到新的难题：

cpp 复制代码 
typedef char* pstring;
int main()
{
	const pstring p1;    // 编译成功还是失败？
	const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？
	return 0;
}

这段代码中，const pstring p1; 和 const pstring* p2; 的编译都会失败。

  • 在C++中，const关键字用于声明常量，表示该变量的值不能被改变。然而，const关键字也可以用于修饰指针。当const关键字放在星号()前面时，它表示指针本身是常量，即不能改变指针指向的位置；当const关键字放在星号()后面时，它表示指针指向的内容是常量，即不能通过该指针改变所指向的内容。

  • 在这段代码中，const pstring p1;试图定义一个常量指针p1，但是没有初始化，这是不允许的。同样，const pstring* p2;试图定义一个指向常量字符指针的指针p2，但是也没有初始化。因此，这两行代码都会引发编译错误。

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

8.2 auto简介

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。

cpp 复制代码 
int TestAuto()
{
	return 10;
}

int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a; // 类型是 int
	auto c = 'a'; // 类型是 char
	//int(*pf)() = TestAuto;
	auto pf = TestAuto; // 类型是 int(*)()
	auto d = TestAuto(); // 类型是 int

	// typeid().name 打印变量类型
	cout << typeid(b).name() << endl; 
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(pf).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。

8.3 auto的使用细则

  1. 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&
  2. 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。
cpp 复制代码 
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
}

8.3 auto不能推导的场景

  1. auto不能作为函数的参数
cpp 复制代码 
// 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

  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以后会讲到的C++11提供的 新式for循环，还有 lambda表达式等进行配合使用。

9. 基于范围的for循环(C++11)

9.1 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：

cpp 复制代码 
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;
}

int main()
{
    TestFor();
    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。

cpp 复制代码 
void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for (auto& e : array)
        e *= 2;
    for (auto e : array)
        cout << e << endl;
}

int main()
{
    TestFor();
    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。

9.2 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

cpp 复制代码 
// 传入的参数是数组的首地址，无法获取数组的大小
void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}
2. 迭代的对象要实现++和==的操作。

10. 指针空值nullptr(C++11)

10.1 C++98中的指针空值

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：

cpp 复制代码 
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：

cpp 复制代码 
#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：

cpp 复制代码 
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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