C++第二弹 -- C++基础语法下(引用 内联函数 auto关键字 范围for 指针空值)

酷酷学!!!2024-07-08 17:52

本篇大纲

  • 前言
  • [一. 引用续讲](#一. 引用续讲)
    • [1. 传值,传引用效率对比](#1. 传值,传引用效率对比)
    • [2. 类型转换和表达式传引用的注意事项](#2. 类型转换和表达式传引用的注意事项)
    • [3. 引用与指针](#3. 引用与指针)
  • [二. 内联函数](#二. 内联函数)
    • [1. 概念](#1. 概念)
    • [2. 特性](#2. 特性)
    • [3. 面试题](#3. 面试题)
  • [三. auto关键字(C++11)](#三. auto关键字(C++11))
    • [1. 类型别名思考](#1. 类型别名思考)
    • [2. auto简介](#2. auto简介)
    • [3. auto的使用细则](#3. auto的使用细则)
    • [4. auto不能推导的场景](#4. auto不能推导的场景)
  • [四. 基于范围的for循环(C++11)](#四. 基于范围的for循环(C++11))
    • [1. 范围for的语法](#1. 范围for的语法)
    • [2. 范围for的使用条件](#2. 范围for的使用条件)
  • [五. 指针空值nullptr(C++11)](#五. 指针空值nullptr(C++11))
  • 总结

前言

C++11 标准的发布带来了许多新的语言特性，这些特性极大地提升了 C++ 的开发效率和代码质量。本文将深入探讨 C++11 中几个重要的特性，包括 引用、内联函数、auto 关键字、基于范围的 for 循环以及指针空值 nullptr。

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正文开始

一. 引用续讲

上篇我们讲到了引用, 了解了引用的一些基本用法, 这里继续补充引用的其他内容, 帮助我们更好的理解引用.

1. 传值,传引用效率对比

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.

c 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>
#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;
}

如图所示, 传引用的效率要比传值效率高很多

2. 类型转换和表达式传引用的注意事项

上篇我们讲过, 传引用时, 权限等于或者缩小, 但是权限不能放大

  • 类型转换

如下面这个例子, 将浮点型数据赋值给整型变量, 在d赋值给i时, 需要借助临时变量, 用临时变量存储转换后的值, 然后在赋值给i, 所以i的值是这个临时变量所赋给的, 而这个临时变量具有常性, 不可以修改, 所以涉及到权限的放大, 因此错误.

c 复制代码 
	// 权限可以平移/缩小 不能放大
	double d = 12.34;

	// 类型转换
	int i = d;

	int& r1 = d;//错误
	const int& r2 = d;//可以
  • 表达式赋值

如图所示, 表达式赋值也会产生临时变量, 临时变量具有常性, 涉及权限的放大, 所以下面这种写法也是不正确的.

c 复制代码 
	int x = 0, y = 1;
	int& r = x + y;//错误
	const int& r2 = x + y;//可以

3. 引用与指针

如图所示, 引用在语法层面不需要开空间, 但是底层还是和指针是是一样的. 引用在底层需要开辟内存空间, 和指针的实现是一样的.

引用类型的大小是, 是类型名的字节大小, int& 为四个字节, short& 为两个字节, 而指针都为32位下都为四个字节.

注意: 引用可以避免指针操作中可能出现空指针的问题

c 复制代码 
	int* p = NULL;
	int& r = *p;
	//这里只是记录了*p的地址,并没有对NULL进行访问,不会报错
	cout << r << endl;//这里才会报错,因为对NULL进行了解引用

引用相对于指针的效率高有以下几个原因：

  1. 引用在编译期就被确定了，而指针在运行时可以被改变。因此，在编译期就确定了引用的地址，不需要额外的运行时开销来对指针进行解引用或者地址计算。

  2. 引用使用起来更加简洁明了，减少了一些指针操作的繁琐性。使用引用可以直接访问对象，而不需要通过解引用符号(*)来获取指针所指向的对象。

  3. 引用可以避免指针操作中可能出现的空指针问题，减少了程序出错的概率。因为引用必须在初始化时指定对象，所以不存在空引用的情况。

  4. 引用的底层实现通常是通过指针来实现的，所以引用的效率并不比指针低。只是在使用上更加方便和安全。

综上所述，引用相对于指针在使用上更加方便、简洁，且没有一些指针操作的繁琐性和潜在风险，因此在效率上更高。

二. 内联函数

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)

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。

例如, 100行指令的函数, 10000个位置需要调用, 编译后的代码量会变大

  1. 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：
  1. 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。因为编译过程中头文件会被展开, 内联函数也会被直接展开,就不会执行call ?f@@YAXH@Z(?) 这种指令去寻找函数地址.
c 复制代码 
// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);

// 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

3. 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

三. auto关键字(C++11)

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
c 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有会遇到新的难题：

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;
}

  1. const pstring p1;：这行代码的意思是定义了一个名为p1的const指针，该指针指向一个char类型的字符串，但是缺少了初始化语句。编译器可能会发出警告信息，因为声明一个const指针而没有初始化它通常是一个错误。

  2. const pstring* p2;：这行代码的意思是定义了一个名为p2的指针变量，该指针变量指向一个指向char类型的字符串的const指针。同样，缺少了初始化语句，编译器也可能会发出警告信息，但是这个声明本身是合法的。

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。

2. 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？

因为函数调用完之后,会自动释放,没必要多此一举

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;
	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。

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&
c 复制代码 
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;
}
  1. 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。
c 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
}

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

四. 基于范围的for循环(C++11)

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;
}

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。

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

	for (auto e : array)
		cout << e << " ";

	return;
}

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

c 复制代码 
void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}
  1. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

五. 指针空值nullptr(C++11)

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

c 复制代码 
void f(int)
{
	 cout<<"f(int)"<<endl;
}

void f(int*)
{
	 cout<<"f(int*)"<<endl;
}

int main()
{
	 f(0);
 	 f(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。

而nullptr就是将NULL进行了强制转换(void*)NULL

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。

总结

本文详细讲解了C++语言中的引用、内联函数、auto关键字、基于范围的for循环以及指针空值nullptr等概念，并通过代码示例和图片说明，深入浅出地阐述了它们的用法和注意事项，旨在帮助读者更好地理解和应用这些C++11的新特性，提高代码效率和可读性。

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