【系统学C++】二、从C语言到C++(二)

【系统学C++】二、从C语言到C++(二)

  • [`bool` 类型](#bool 类型)
    • [怎么打印 `bool` 类型的值](#怎么打印 bool 类型的值)
  • 强弱类型
  • [`NULL` 和 `nullptr`](#NULLnullptr)
  • 起别名
    • [使用 `typedef`](#使用 typedef)
    • [使用 `using` 关键字(C++11及以后)](#使用 using 关键字(C++11及以后))
    • 注意
  • [` void*` 万能指针](# void* 万能指针)
    • [C语言中的 `void*`](#C语言中的 void*)
    • [C++中的 `void*`](#C++中的 void*)
    • 注意事项
  • `const`
    • [C语言中的 `const`(冒牌货)](#C语言中的 const(冒牌货))
    • [C++中的 `const`(真货)](#C++中的 const(真货))
    • [`const` 的区别](#const 的区别)
    • 总结

bool 类型

在C语言中,bool 类型并不是内置的数据类型,直到C99标准才引入了 _Bool 类型作为整数类型的一个扩展,并提供了宏 bool 作为 _Bool 的别名,以及 truefalse 作为宏定义,通常用于 <stdbool.h> 头文件中。但是,由于C语言对 _Bool 的处理本质上还是基于整型的,所以其使用并不像C++中的 bool 类型那样直观和严格。

在C++中,bool 是一个内置的数据类型,它只有两个可能的值:truefalsebool 类型常用于条件语句、循环语句以及逻辑运算中。C++的 bool 类型是一个真正的布尔类型,它不能隐式地转换为其他类型(除了 int 和可以接受 int 的其他类型),除非进行了显式的类型转换。

以下是一个C++中使用 bool 类型的简单示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>

bool isEven(int number) {
    return number % 2 == 0;
}

int main() {
    int num = 10;
    bool result = isEven(num);

    if (result) {
        std::cout << num << " is even." << std::endl;
    } else {
        std::cout << num << " is odd." << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个示例中,isEven 函数接受一个整数作为参数,并返回一个 bool 类型的值来表示该数是否是偶数。在 main 函数中,我们调用 isEven 函数,并将结果存储在 bool 类型的变量 result 中。然后,我们使用 if 语句根据 result 的值来输出相应的消息。

需要注意的是,在C++中,truefalsebool 类型的常量,它们的值分别为1和0(或者可以视为"真"和"假")。但是,你不能将 bool 类型的变量直接与整数进行算术运算,因为它们是不同的类型。如果你需要这样做,你需要进行显式的类型转换。

怎么打印 bool 类型的值

在C++中,如果你想以文本形式(即 "true" 或 "false")而不是整数形式(即 1 或 0)打印 bool 类型的值,你可以使用 std::boolalpha 操纵符。这个操纵符是定义在 <iomanip> 头文件中的,它可以改变流(通常是 std::cout)对于 bool 类型的输出方式。

以下是一个例子,展示了如何使用 std::boolalpha 来打印 bool 类型的值:

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <iomanip> // 包含 boolalpha 操纵符的头文件

int main() {
    bool flag = true;

    // 使用 std::boolalpha 操纵符
    std::cout << std::boolalpha << flag << std::endl; // 输出 "true"

    // 如果你之后想恢复默认的整数输出方式
    std::cout << std::noboolalpha << flag << std::endl; // 输出 1

    return 0;
}

在这个例子中,std::boolalpha 使得 std::coutbool 类型的值作为 "true" 或 "false" 输出。如果你想恢复到默认的整数输出方式(即 true 输出为 1,false 输出为 0),你可以使用 std::noboolalpha 操纵符。不过,请注意,这些操纵符只影响它们被设置之后的输出,不会影响之前的输出。所以,如果你只想改变一个 bool 值的输出方式,而不需要后续恢复,你可以只使用 std::boolalpha

强弱类型

从C语言到C++,关于强弱类型的概念,首先需要明确的是,C和C++在类型系统方面都是静态类型语言,这意味着在编译时就需要确定变量的类型,并且这个类型在程序运行过程中通常是不能改变的。然而,这里的"强弱类型"通常指的是类型系统对程序员施加的约束程度和防止错误的能力。

C语言的类型系统

  • 弱类型检查 :C语言的类型系统可以被认为是相对"弱"的,因为它允许程序员进行某些可能导致问题的类型转换。例如,C风格的强制类型转换 (Type) expression 可以几乎无限制地将任何类型的表达式转换为任何类型,而不进行太多的运行时检查。
  • 隐式转换:C语言中存在许多隐式类型转换,这些转换可能在程序员不注意的情况下发生,并导致难以察觉的错误。
  • 指针操作:C语言中的指针可以指向任何类型的数据,这增加了灵活性但也带来了风险。例如,将一个整数指针错误地解释为字符指针可能会导致未定义行为。

C++的类型系统

  • 强类型检查 :C++在C语言的基础上增加了更严格的类型检查。虽然C++也允许强制类型转换,但它提供了更安全的替代方案,如static_castdynamic_castconst_castreinterpret_cast。这些转换函数要求程序员明确指定转换的意图,并在可能的情况下进行运行时检查。
  • 减少隐式转换:C++尝试减少隐式类型转换的数量,以减少错误的可能性。然而,由于C++需要与C语言兼容,因此仍然存在一些隐式转换。
  • 面向对象编程:C++支持面向对象编程,这包括类、继承、多态等概念。这些特性使得C++的类型系统更加复杂,但也更加灵活和强大。通过封装、继承和多态,C++可以提供更好的代码重用性和可维护性。
  • 模板和STL:C++的模板和STL(Standard Template Library)提供了类型安全的容器和数据结构,这些容器和数据结构在编译时进行类型检查,从而减少了运行时错误的可能性。

总结

  • 从C语言到C++,类型系统的"强弱"主要体现在对程序员施加的约束程度和防止错误的能力上。
  • C语言的类型系统相对较弱,允许更多的灵活性和隐式转换,但也增加了出错的可能性。
  • C++通过引入更严格的类型检查和转换函数、减少隐式转换、支持面向对象编程以及提供类型安全的容器和数据结构等方式,增强了其类型系统的"强度",从而提高了代码的安全性和可维护性。

NULLnullptr

在C和C++中,NULLnullptr 都用于表示指针不指向任何有效的内存地址(空指针)。然而,它们在定义和使用上存在一些区别。

NULL

  • 在C语言中NULL 是一个宏,通常被定义为 (void*)00。它用于表示指针不指向任何有效的内存地址。
  • 在C++中 :虽然C++是从C发展而来的,但它也支持 NULL。然而,在C++中,直接将 NULL 定义为 (void*)0 可能会导致类型安全的问题,因为当你尝试将一个 void* 类型的值赋给一个非 void* 类型的指针时,编译器可能会发出警告或错误。因此,C++标准库通常将 NULL 定义为 0((void*)0) 的一个类型安全的替代品,比如 #define NULL 0

nullptr

  • 在C++11及以后nullptr 是一个关键字,用于替换 NULL。它是C++11标准中引入的一个新特性,用于表示空指针。与 NULL 相比,nullptr 具有更好的类型安全性,因为它不是宏,而是一个真正的类型(std::nullptr_t),可以自动转换为任何指针类型或指针到成员的类型,但不能转换为整数类型。
  • 优点 :使用 nullptr 可以避免由于 NULL 被错误地定义为 (void*)0 而导致的类型不匹配问题。此外,由于 nullptr 是一个关键字,它在代码中的使用也更清晰,更易于阅读和理解。

示例

在C中,你可能会这样使用 NULL

c 复制代码
int *ptr = NULL;

在C++中,你可以继续使用 NULL(尽管它可能已经被定义为 0),但更好的做法是使用 nullptr

cpp 复制代码
int *ptr = nullptr;

注意:在C++中,如果你尝试将 nullptr 赋值给一个非指针类型的变量,编译器会报错,这有助于在编译时捕获潜在的错误。而如果你使用 NULL 并将其定义为 0,这种错误可能不会被捕获。

起别名

在C++中,起别名(aliasing)通常指的是为一个类型或对象创建另一个名称,这样你就可以通过不同的名称来引用相同的类型或对象。在C++中,有几种方式可以实现这一点,但最常用的可能是使用typedefusing关键字(从C++11开始)。

使用 typedef

在C和C++中,typedef关键字被用来为现有类型定义一个新的名称。这在处理复杂的数据类型时特别有用,比如结构体、联合体、函数指针等。

cpp 复制代码
// 定义一个结构体
struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 使用typedef为结构体起别名
typedef struct Point PointAlias;

// 现在Point和PointAlias是等价的
PointAlias p;
p.x = 10;
p.y = 20;

使用 using 关键字(C++11及以后)

在C++11及以后的版本中,using关键字被引入作为一种更简洁、更灵活的别名机制。它可以用于类型、模板、命名空间等。

cpp 复制代码
// 使用using为结构体起别名
using PointAlias = Point;

// 现在Point和PointAlias是等价的
PointAlias p;
p.x = 10;
p.y = 20;

// 对于模板类型,using也特别有用
template<typename T>
using Vector = std::vector<T>;

// 现在可以这样使用
Vector<int> int_vector;

注意

  • 别名并不创建新的类型,它只是为现有类型提供了一个新的名称。
  • 在使用别名时,要注意作用域和链接规则,以避免名称冲突。
  • 在C++中,推荐使用using关键字作为别名机制,因为它更加灵活和简洁。但在处理C语言代码或需要与C语言交互时,可能仍然需要使用typedef

void* 万能指针

在C和C++中,void* 被称为"万能指针"或"通用指针",因为它可以指向任何数据类型的对象。这种灵活性在编写泛型代码(尤其是在C语言中,因为C++提供了更强大的模板系统)时非常有用。但是,void* 的使用也需要额外的注意,因为当你尝试解引用一个 void* 时,编译器不知道你要访问的数据类型,所以你需要显式地进行类型转换。

C语言中的 void*

在C语言中,void* 常用于以下情况:

  1. 动态内存分配 :与 mallocfree 函数一起使用,它们返回和接受 void* 类型的指针。
c 复制代码
int *p = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p);
  1. 函数指针 :当函数需要处理多种类型的指针时,可以使用 void* 作为参数类型。但是,在函数内部,你需要将其转换为正确的类型才能使用。
c 复制代码
void print_int(void *ptr) {
    int *int_ptr = (int*)ptr;
    printf("%d\n", *int_ptr);
}

C++中的 void*

在C++中,虽然 void* 仍然可用,但由于C++提供了更强大的类型系统和模板,void* 的使用频率相对较低。然而,在以下情况下,你仍然可能会看到 void*

  1. 与C语言的接口 :当你需要与C语言代码交互时,可能会使用 void*
  2. 某些特定的库和API :某些C++库或API可能为了保持与C的兼容性而使用 void*
  3. 动态内存分配 :虽然C++推荐使用 newdelete 运算符进行动态内存分配,但 mallocfree 仍然可用,并且它们返回和接受 void* 类型的指针。

注意事项

  • 使用 void* 时需要特别小心,因为编译器不会为你检查类型安全性。如果你错误地将一个 void* 转换为错误的类型并解引用它,可能会导致未定义的行为。
  • 在C++中,尽量使用模板、智能指针和类型安全的容器来替代 void*,以提高代码的可读性、可维护性和安全性。
  • 当从 void* 转换到其他类型的指针时,务必确保转换是安全的,并且转换后的指针确实指向了正确类型的数据。
  • C语言的 void* 万能指针能和其他任意类型的指针相互转换
  • C++ 的 void* 万能指针能和其他任意类型的指针相互转换,任意类型能转为 void*,但是 void* 不能转为任意其他类型的指针

const

在C语言和C++中,const 关键字都被用来声明一个变量或对象是不可变的,即其值在初始化之后不能被修改。然而,虽然这两个语言都支持 const,但它们在处理 const 的方式和提供的特性上存在一些差异,这导致了所谓的"冒牌货"与"真货"的说法。

C语言中的 const(冒牌货)

在C语言中,const 的使用相对简单。你可以用它来声明一个常量,但这个常量主要是编译时的概念。编译器会在编译时检查代码,确保没有尝试修改 const 变量的值。然而,C语言中的 const 并不提供运行时保护,也就是说,如果你在程序运行时通过某种方式(比如指针操作)绕过编译器的检查去修改 const 变量的值,编译器是无法阻止的。这种修改可能导致未定义的行为。

C语言中的 const 并不是真正的常量,只是表示 const 修饰的变量为只读。

c 复制代码
const int num = 18;
//num = 19			//error:不能修改const 对象
//int arr[num]		//error:数组大小必须是常量

通过指针间接修改只读变量的值:

c 复制代码
int* pt = (int*)&num;
*pt = 19;
printf("%d %d\n", num,*pt);		//output:19 19

可以看到常量it的值已经通过指针被间接改变

C++中的 const(真货)

在C++中,const 的使用更加灵活和强大。C++不仅保留了C语言中 const 的基本功能,还增加了一些额外的特性和保护机制。

  1. 类型检查 :C++编译器在编译时会进行更严格的类型检查,确保 const 变量不会被误修改。
  2. const 成员函数 :在C++中,你可以声明一个成员函数为 const,这意味着该函数不会修改其所属对象的任何成员变量(除非这些变量也被声明为 mutable)。这有助于维护类的封装性和数据完整性。
  3. const_cast :C++提供了一个 const_cast 运算符,用于在必要时去除 const 性质。然而,这种操作应该谨慎使用,因为它可能会破坏数据的完整性。
  4. const 引用参数 :在C++中,你可以将函数参数声明为 const 引用,这样可以确保在函数内部不会修改传入的参数。
  5. 运行时保护 :虽然C++本身并不提供直接的运行时保护来防止 const 变量的修改(像某些更高级别的语言那样),但由于其类型系统和编译器的严格检查,使得在大多数情况下都能确保 const 变量的不可变性。

const 的区别

在C语言和C++中,const关键字都被用来声明一个常量,但这两个语言在处理const时有一些细微的差别。以下是一些主要的区别:

  1. 作用域

    • 在C语言中,const变量默认具有文件作用域(除非在函数内部声明),并且如果在一个头文件中声明了const变量,那么在包含该头文件的多个源文件中会出现重复定义的错误。为了解决这个问题,C语言通常使用extern const来声明变量,并在一个源文件中定义它。
    • 在C++中,const变量默认具有块作用域(即它们只在声明它们的代码块内可见),但如果在全局或命名空间作用域中声明,则它们具有全局或命名空间作用域。此外,C++允许在头文件中声明和定义const变量(只要它们是常量表达式并且已经初始化),这被称为常量表达式内联初始化(in-class initialization of static const integral types)。
  2. 类型检查

    • C++对const的类型检查更为严格。例如,在C++中,你不能将一个非const指针赋值给一个const指针,除非该非const指针指向的对象是const的。但在C语言中,这种转换是允许的。
  3. 常量表达式

    • C++支持常量表达式(constexpr),这是一种特殊的const变量,它在编译时就可以确定其值。常量表达式可以用于数组大小、模板参数等需要常量值的地方。C语言没有直接支持常量表达式的概念。
  4. 类的常量成员

    • 在C++中,你可以使用const来声明类的常量成员。这些成员必须在构造函数初始化列表中初始化,并且之后不能被修改。C语言没有类的概念,因此不支持类的常量成员。
  5. const函数

    • 在C++中,你可以使用const来修饰成员函数,表示该函数不会修改调用它的对象的任何成员变量(除了mutable成员)。这有助于保证对象的封装性和不变性。C语言没有成员函数的概念,因此不支持const函数。
  6. 指针和const

    • 在C和C++中,const与指针的结合方式可以产生不同的效果。例如,const int *p表示p指向一个const int(即不能通过p修改该int的值),而int const *p具有相同的意义。但是,int * const p表示p是一个指向int的const指针(即不能修改p的值,但可以修改p指向的int的值)。在C++中,这些组合方式更为常见和有用。
  7. const_cast

    • C++提供了const_cast运算符,用于在编译时安全地去除指针或引用的常量性。这在某些情况下可能是有用的,但应该谨慎使用以避免意外的副作用。C语言没有提供类似的运算符。

总结

  • 在C语言中,const 主要是一个编译时的概念,用于声明常量并帮助编译器进行类型检查。但在运行时,它并不提供额外的保护来防止 const 变量的修改。
  • 在C++中,const 的使用更加灵活和强大。除了编译时的类型检查外,C++还提供了更多的特性和保护机制来确保 const 变量的不可变性。这使得C++中的 const 可以被视为更"真实"或更"强大"的版本。

因此,从某种意义上说,C++中的 const 可以被视为"真货",而C语言中的 const 则可以被视为"冒牌货"。但需要注意的是,这种说法主要是为了强调两者之间的差异和C++中 const 的优势,并不意味着C语言中的 const 没有用或不可靠。在实际编程中,我们应该根据具体需求选择合适的语言和特性。

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