C++从入门到精通——入门知识

李白同学2024-04-07 14:35

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，变量、函数和后面要学到的类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称都将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就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 <iostream>
#include <stdlib.h>

//using namespace std;

//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 rand = 10;

int main()
{
	//这里需要说明一点，C++是兼容C语言语法的
	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 
// 1. 正常的命名空间定义
// num 是命名空间的名字
namespace num
{
	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型/结构体
	int rand = 10;
	int Add(int a, int b)
	{
		return a + b;
	}
	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 a, int b)
	{
		return a + b;
	}
	namespace N2
	{
		int c;
		int d;
		int Sub(int a, int b)
		{
			return a - b;
		}
	}
}

//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 a, int b)
	{
		return a * b;
	}
}

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 命名空间的使用

命名空间中成员该如何使用呢？比如：

cpp 复制代码 
namespace N
{
	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	int a = 0;
	int b = 1;
	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
	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);
	//那我们该如何修改呢？
	
	return 0;
}

命名空间的使用有三种方式：

① 加命名空间名称及作用域限定符

cpp 复制代码 
int main()
{
    printf("%d\n",N::a);
    
    return 0;
}

② 使用 using 将命名空间中某个成员引入

cpp 复制代码 
//使用域名N中成员b的声明
using N::b;

int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}

③ 使用 using namespace 命名空间名称引入

cpp 复制代码 
//使用域名N的声明
using namespace N;

int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
	printf("%d\n", b);
	Add(10, 20);

	return 0;
}

3. C++输入&输出

我们学习C语言的时候，是如何写自己的第一个程序的呢？

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main()
{
	printf("hello world!!!\n");

	return 0;
}

那么C++又是如何写自己的第一个程序呢？我们带着探索的好奇心来看一下。

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;
}

运行结果：


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，它们都包含在 <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**一些问题。

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语言的头文件区分开，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带 h ；旧的编译器（vc 6.0）中还支持 <iostream.h> 格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用 <iostream> + std的方式。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	int a = 0;
	double b = 0;
	char c = 0;

	// 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;
}

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，建议直接使用 using namesapce 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，但是在项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现上面那些问题。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/函数等方式。

4. 缺省参数

4.1 缺省参数的概念

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 
#include <iostream>

using namespace std;

void TestFunc(int a = 0)
{
	cout << a << endl;
}

int main()
{
	TestFunc(); // 没有传参时，使用参数的默认值
	TestFunc(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 TestFunc(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 TestFunc(int a, int b,int c = 20)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << a << endl;
    cout << "c = " << a << 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。

cpp 复制代码 
//test.h
void TestFunc(int a = 10);

//test.c
void TestFunc(int a = 20)
{
    ;
}

// 注意：如果生命与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该用那
个缺省值。

3. 缺省值必须是常量或者全局变量。

4. 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的真实的含义，即该词被重载了。

5.1 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 顺序）必须不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

cpp 复制代码 
int Add(int a, int b)
{
	return a + b;
}

double Add(double a, double b)
{
	return a + b;
}

long Add(long a, long b)
{
	return a + b;
}

int main()
{
	Add(10, 20);
	Add(10.0, 20.0);
	Add(10L, 20L);

	return 0;
}

下面两个函数属于函数重载吗？

cpp 复制代码 
short Add(short a, short b)
{
	return a + b;
}

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

答案：肯定不是！

解释一下：

如果我们在 gcc 的编译环境的 g++ 编译器运行我们的代码，而被 g++ 的函数修饰后变成 【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】 。则上面代码，第一个函数修饰后变成了**_Z3Addss** ，而第二个函数修饰后变成了 _Z3Addss ，这时它们两者函数名修饰规则一样，编译器在选择时，无法判断所需要调用的函数，所以编译它们时，编译器无法编译通过，会报错！

5.2 extern "C"

有时候在C++工程中可能需要将某些函数按照C语言的风格来编译，在函数前加 extern "C" ，意思是告诉编译器，**将该函数按照C语言规则编译。**比如：tcmalloc 是 google 用C++实现的一个项目，它提供了 tcmallc() 和 tcfree() 两个接口来使用，但如果是C项目就没办法使用，那么它就使用extern "C" 来解决。

cpp 复制代码 
extern "C" int Add(int a, int b);

int main()
{
	Add(1, 2);
	return 0;
}

6. 引用

6.1 引用的概念

引用不是新定义一个变量，而是给已存在的变量取了一个别名，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；

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

void Test()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;//<====定义引用类型
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &ra);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

运行结果：

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。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

void Test()
{
	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);
}


int main()
{
	Test();

	return 0;
}

运行结果：

6.3 常引用

cpp 复制代码 
void Test()
{
	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

cpp 复制代码 
void Swap(int& x, int& y)
{
	int temp = x;
	x = y;
	y = temp;
}

2. 做返回值

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

下面代码输出什么结果？为什么？

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

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;
}

运行结果：

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还未还给系统，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类值型，在传值和返回期间，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。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <time.h>

using namespace std;

struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}

void Test()
{
	A a;
	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++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 < 100000; ++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()
{
	Test();

	return 0;
}

运行结果：

6.5.1 值和引用的作为返回值类型的性能比较

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <time.h>

using namespace std;

struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }

void Test()
{
	// 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()
{
	Test();

	return 0;
}

运行结果：

通过上述代码的比较，发现传值和指针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 在定义时必须初始化，指针没有要求

2. 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

3. 没有NULL引用，但有NULL指针

4. 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)

5. 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

6. 有多级指针，但是没有多级引用

7. 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

8. 引用比指针使用起来相对更安全

7. 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，没有函数压栈的开销，内联函数提升程序运行的效率。

7.2 特性

  1. inline 是一种以空间换时间 的做法，省去调用函数额开销。所以代码很长 或者有循环/递归的函 数不适宜使用作为内联函数。

  2. inline 对于编译器而言只是一个建议 ，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有循环/ 递归等等，编译器优化时会忽略掉内联。

  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 
// test.h
#include <iostream>
using namespace std;
//声明
inline void Func(int i);

// test.cpp
#include "test.h"
//定义
void Func(int i)
{
	cout << i << endl;
}

// main.cpp
#include "test.h"
int main()
{
	Func(10);
	return 0;
}


/*链接错误：main.obj : error LNK2019 : 无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?
Func@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用*/

8. auto关键字(C++11)

8.1 auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量 ，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？

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 
#include <iostream>

using namespace std;

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;
}

运行结果：

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&

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

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;//err
	*b = 30;
	c = 40;

	return 0;
}

运行结果：

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)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

cpp 复制代码 
void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6};
}

3. 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
4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟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 
#include <iostream>

using namespace std;

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;
}

运行结果：

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 << " ";
	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 
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 
#include <iostream>

using namespace std;

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;
}

运行结果：

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。

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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