【C++】C++入门

C++入门

• [1. C++关键字(C++98)](#1. C++关键字(C++98))
• [2. 命名空间](#2. 命名空间)
• • [2.1 命名空间定义](#2.1 命名空间定义)
  • [2.2 命名空间使用](#2.2 命名空间使用)
• [3. C++输入&输出](#3. C++输入&输出)
• [4. 缺省参数](#4. 缺省参数)
• • [4.1 缺省参数概念](#4.1 缺省参数概念)
  • [4.2 缺省参数分类](#4.2 缺省参数分类)
• [5. 函数重载](#5. 函数重载)
• • [5.1 函数重载概念](#5.1 函数重载概念)
  • [5.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling)](#5.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling))
• [6. 引用](#6. 引用)
• • [6.1 引用概念](#6.1 引用概念)
  • [6.2 引用特性](#6.2 引用特性)
  • [6.3 常引用](#6.3 常引用)
  • [6.4 使用场景](#6.4 使用场景)
  • [6.5 传值、传引用效率比较](#6.5 传值、传引用效率比较)
  • • [6.5.1 值和引用的作为参数类型的性能比较](#6.5.1 值和引用的作为参数类型的性能比较)
    • [6.5.2 值和引用的作为返回值类型的性能比较](#6.5.2 值和引用的作为返回值类型的性能比较)
  • [6.6 引用和指针的区别](#6.6 引用和指针的区别)
• [7. 内联函数](#7. 内联函数)
• • [7.1 概念](#7.1 概念)
  • [7.2 特性](#7.2 特性)
  • 对宏的一些补充：
• [8. auto关键字(C++11)](#8. auto关键字(C++11))
• • [8.1 auto简介](#8.1 auto简介)
  • [8.2 auto的使用细则](#8.2 auto的使用细则)
  • [8.3 auto不能推导的场景](#8.3 auto不能推导的场景)
• [9. 基于范围的for循环(C++11)](#9. 基于范围的for循环(C++11))
• [10. 指针空值nullptr(C++11)](#10. 指针空值nullptr(C++11))

1. C++关键字(C++98)

• C++总计63个关键字，C语言32个关键字
  

2. 命名空间

在C/C++中,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。

例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>//展开后有rand()函数的定义

 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，用到namespace关键字，后跟命名空间的名字，接一对{} ，{}中为命名空间的成员。命名空间定义规则：

1. 命名空间中可以定义变量/函数/类型
2. 命名空间可以嵌套
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。

例如：

namespace zry
 {
    //1. 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

命名空间的使用有三种方式：

• 加命名空间名称及作用域限定符

int main()
 {
 	printf("%d\n", N::a);//::为域作用限定符 ---> ::前面啥都不加默认在全局域查找
 	return 0;    
}

• 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;    
}

• 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;    
 }

补充 ：

编译器搜索变量/函数原则:

• 不加域作用限定符时：1、先查找局部域；2、再查找全局域
• 加域作用限定符时：直接查找指定域

3. C++输入&输出

用C++写一段简单的代码：

#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。
3. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。（例如：cout<<"Hello world!!!";这个就可以理解为"Hello world!!!"流向了cout即输出到控制台，cin也可以这样理解，例如：cin>>i,就可以理解为cin流向了i即从键盘输入了值给i。）
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（即%d,%c之类。C++的输入输出可以自动识别变量类型。

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。

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

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

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（若都要出现，则在声明中出现不在定义中出现）

3. 缺省值必须是常量或者全局变量

5. 函数重载

5.1 函数重载概念

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。

例如：

#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;
}

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 。

假设现在有一个Add函数，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。

1.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。

2.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。

• Windows下名字修饰规则
  

  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。

3.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。

4.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。

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);
}

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（即引用不能改变指向）（也因为这一点引用不能替代指针）

//引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
int main()
{
	int a = 0;
	int& b = a;//b已经是a的引用了
	int c = 2;
	b = c;//这个时候b就不能再是c的引用了，这就表示赋值
}

6.3 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;
}

6.4 使用场景

1.做参数

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

2.做返回值

下面代码输出什么结果？

int& Add(int a, int b)
{
 	int c = a + b;
 	return c;//这里返回的是c的别名（引用）
}

int main()
{
 	int& ret = Add(1, 2);
 	Add(3, 4);
 	cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
 	return 0;
}

上面的代码中，在调用Add函数后返回的是c的引用，又因为c是局部变量，函数调用完毕后就会被销毁，所以此时的ret就在一块未知的空间上，这种情况是很危险的。

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)（如全局变量/堆上开辟的变量），则可以使用引用返回，如果已经还给系统了（如局部变量），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。

6.5.1 值和引用的作为参数类型的性能比较

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}

void main()
{
	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;
}

6.5.2 值和引用的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 main()
{
	// 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;
}

6.6 引用和指针的区别

语法上：

1. 引用是别名，不开空间，指针是地址，要开空间存地址；
2. 引用必须初始化，指针可以不初始化；
3. 引用不能改变指向，指针可以
4. 引用相对更安全，没有空引用，但有空指针，容易出现野指针，但不容易出现野引用；
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；

底层 ：
汇编层面，没有引用，都是指针，引用编译后也被转化成了指针。

7. 内联函数

在C语言中，若有一个函数，需要被调用100w次，建立100w个栈帧，那么就会产生很多栈空间消耗，C语言采用宏来解决这个问题。C++里也有相应的解决办法，那就是内联函数。

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vs2013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（可以直接将函数声明定义写到一起），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"
inline 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

在上面这串代码中，f()函数声明在F.h中，定义在F.cpp中，声明和定义分离了，因为f()函数是内联函数，所以链接时f()函数就不会进符号表（只进行一个替换），在main()函数中调用f()函数时就会找不到f()函数，就会报错。

补充：
为什么会有声明和定义分离？

// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
void f(int i)
{
 	cout << i << endl;
}
 
// F.cpp
#include "F.h"
 
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
 	f(10);
 	return 0;
}

运行上面代码后发现产生了重定义，这是因为f()函数声明和定义都是在F.h中，而F.cpp和main.cpp又都包含了"F.h"，所以在预处理时头文件被展开，链接时F.cpp和main.cpp又被链接到一起，此时"F.h"就被展开了两次，在main()函数中调用f()函数时就会有两个f()函数，两个f()函数完全一样，不构成函数重载，就会报错重定义。

解决上面问题办法由有三个：

1. 声明和定义分离
2. 函数前加static

static void f(int i)
{
 	cout << i << endl;
}
//因为static链接属性，只在当前文件可见（只出现一次）

3. 函数前加inline

对宏的一些补充：

宏容易犯错的点：

1、宏不是函数

2、宏最后没有分号

3、用括号控制好优先级

例如，一个宏的示例：

#define ADD(a, b) ((a)+(b))

核心点：宏是预处理阶段进行替换

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 auto简介

在前面C语言中，我们可以通过typedef给类型取别名，在C++中可以用auto自动识别变量类型，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。

8.2 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&

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;
}

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。

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
2. auto不能直接用来声明数组

9. 基于范围的for循环(C++11)

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。

int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (auto& e : array)
		e *= 2;//这里因为e是数组实参的拷贝，所以要改变数组实际的值要用引用改变
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";

	return 0;
}

10. 指针空值nullptr(C++11)

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，所以f(NULL)就调用成了第一个，使用nullptr就可解决这个问题。

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。