【探寻C++之旅】第一章：C++入门

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- 前言
- [1. c++的发展历史](#1. c++的发展历史)
- [2. c++的第一个程序](#2. c++的第一个程序)
- [3. namespace（命名空间）](#3. namespace（命名空间）)
- - [3.1 namespace的价值](#3.1 namespace的价值)
  - [3.2 namespace的定义](#3.2 namespace的定义)
  - [3.3 namespace的使用](#3.3 namespace的使用)
- [4. c++的输入&输出](#4. c++的输入&输出)
- [5. 缺省参数](#5. 缺省参数)
- [6. 函数重载](#6. 函数重载)
- 7.引用
- - [7.1 引用的概念与定义](#7.1 引用的概念与定义)
  - [7.2 引用的特性](#7.2 引用的特性)
  - [7.3 引用的使用](#7.3 引用的使用)
  - [7.4 *const*引用](#7.4 const引用)
  - [7.5 指针和引用的关系](#7.5 指针和引用的关系)
- [8. inline](#8. inline)
- [9. nullptr](#9. nullptr)
- 尾声

前言

C++（c plus plus）是一种计算机高级程序设计语言，由C语言扩展升级而产生，最早于1979年由本贾尼·斯特劳斯特卢普在AT&T贝尔工作室研发。今天，让我们一起踏入追寻C++的冒险历程，去看一看什么是命名空间、C++的输入&输出、缺省参数、函数重载、引用...

1. c++的发展历史

我们先来了解一下什么是C++。C++是面向对象编程语言，但它不仅能与java一样支持面向对象编程，也同时因为是在C语言的基础上升级而来，支持面向过程编程，同时C++与C语言完全兼容，C语言的绝大部分内容可以直接用于C++的程序设计，用C语言编写的程序可以不加修改地用于C++。作为面向对象编程语言，C++提供了类和面向对象编程中的三大特性：封装、继承、多态（上述名词在本专题中会一一讲解）。C++拥有计算机运行的实用性特征，同时还致力于提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。

2. c++的第一个程序

C++兼容C语言绝⼤多数的语法，所以C语言实现的hello world依旧可以运⾏，C++中需要把定义⽂件代码后缀改为.cpp，vs编译器看到是.cpp就会调⽤C++编译器编译，linux下要⽤g++编译，不再是gcc 。

c++ 复制代码

#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("hello world\n");
	return 0;
}

当然C++有⼀套自己的输入输出，严格说C++版本的hello world应该是这样写的。

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "hello world\n" << endl;
	return 0;
}

上述代码中有三个点是我们比较陌生的

#include<iostream>没有见过的头文件
using namespace std;没有见过的一行代码
cout、endl 没有见过的两个关键字

不必着急，这些我们将一一去进行了解。

3. namespace（命名空间）

第一个，我们先来认识一下什么是命名空间，也就是 namespace。

3.1 namespace的价值

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，当它们名字相同时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。

c语言项目类似下面程序这样的命名冲突是普遍存在的问题，C++引入namespace就是为了更好的解决这样的问题

c++ 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int rand = 10;
int main()
{
	printf("%d\n", rand);
	return 0;
}

当我们运行上述程序时会遇到编译报错

编译报错：error C2365: "rand": 重定义；以前的定义是"函数"

上述程序之所以会有编译报错是因为在stdlib.h这个头文件中有一个也名为rand的函数，它与我们定义的变量rand都在全局作用域中，因此编译器无法判断你到底是想使用哪一个rand，因此会报错，但是当我们引入namespace后，就能避免该现象的发生。

3.2 namespace的定义

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。命名空间中可以定义变量/函数/类型等。
c++ 复制代码
```
namespace My
{
    //定义需要的变量、函数、类等等
    int rant = 10;
    
    int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
    
    struct Node
	{	
		struct Node* next;
		int val;
	}
}
```
namespace本质是定义出⼀个域，这个域跟全局域各自独立，不同的域可以定义同名变量。
C++中域有函数局部域，全局域，命名空间域，类域；域影响的是编译时语法查找⼀个变量/函数/类型出处(声明或定义)的逻辑，所有有了域隔离，名字冲突就解决了。局部域和全局域除了会影响编译查找逻辑，还会影响变量的生命周期，命名空间域和类域不影响变量生命周期。

namespace只能定义在全局，当然他还可以嵌套定义。

c++ 复制代码

namespace all
{
    namespace student1
    {
        //定义需要的变量、函数、类等等
    }
    namespace student2
    {
        //定义需要的变量、函数、类等等
    }
}

C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

3.3 namespace的使用

编译查找⼀个变量的声明/定义时，默认只会在局部或者全局查找，不会到命名空间里面去查找。所以我们要使用命名空间中定义的变量/函数，有三种方式：

指定命名空间访问，项目中推荐这种方式。
c++ 复制代码
```
// 指定命名空间访问
namespace My{
    int a = 10;
}
int main()
{
    int a = 1;
    // :: 是域作用限定符
	printf("%d\n", My::a);
	return 0;
}
```
通过 :: 操作符我们就可以指定命名空间，上述代码的运行结果为10 。
用using关键字将命名空间中某个成员展开，项目中经常访问的不存在冲突的成员推荐这种方式。

c++ 复制代码

// 用using将命名空间中某个成员展开
namespace My{
    int a = 10;
    int b = 20;
}
using My::a;
int main()
{
	printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", My::b);
	return 0;
}

因为我们将a已经展开，因此不需要在用域作用限定符::，但是我们并没有展开b，所以当访问b时仍需要用域作用限定符::来指定命名空间。

用using关键字后跟namespace + 名字来展开命名空间中全部成员，项目不推荐，冲突风险很大，日常小练习程序为了方便推荐使用。

c++ 复制代码

// 展开命名空间中全部成员
namespace My{
    int a = 10;
    int b = 20;
}
using namespce My;
int main()
{
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}

在我们的第一个c++程序中using namespace std;即是展开了一个名为std的命名空间，c++的标准库在里面存放。

4. c++的输入&输出

在这里，我们将解决我们第一个c++程序的另外两个问题。

<iostream> 是 Input Output Stream 的缩写，是标准的输入、输出流库，定义了标准的输入、输出对象。
std::cin 是 istream 类的对象，它主要面向窄字符（narrow characters (of type char)）的标准输入流。
std::cout 是 ostream 类的对象，它主要⾯向窄字符的标准输出流。
std::endl 是⼀个函数，流插入输出时，相当于插入⼀个换行字符\n加刷新缓冲区。
cout/cin/endl等都属于C++标准库，C++标准库都放在⼀个叫std的命名空间中，所以要通过命名空间的使用方式去用他们。
<<是流插⼊运算符，>>是流提取运算符，目前我们只需知道它们是配合cout和cin一起使用即可。（在C语言中还用这两个运算符做位运算左移/右移）

使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动指定格式，C++的输入输出可以自动识别变量类型(本质是通过函数重载实现的，这个以后会讲到)，其实最重要的是C++的流能更好的⽀持自定义类型对象的输入输出（在后续讲解类中会讲到）。

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 0;
	double b = 0.1;
	char c = 'x';    
	cout << a << " " << b << " " << c << endl;
    
    // 不可以自动识别变量类型，需要我们手动写
	scanf("%d%lf", &a, &b);
	printf("%d %lf\n", a, b);
	// 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;
}

IO流涉及类和对象，运算符重载、继承等很多面向对象的知识，这些知识我们还没有讲解，所以这里我们只需简单认识⼀下C++ IO流的用法。

5. 缺省参数

什么是缺省参数呢？从名字上来看我们可以看出它是一个参数，那么在哪里我们会用上参数呢？是函数，因此，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。如下面代码所示：

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
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;
}

缺省参数分为全缺省和半缺省参数。（有些地方把缺省参数也叫默认参数）

全缺省就是全部形参给缺省值。

c++ 复制代码

//全缺省
void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl << endl;
}

半缺省就是部分形参给缺省值。

c++ 复制代码

//半缺省
void Func(int a, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl << endl;
}

C++规定半缺省参数必须从右往左依次连续缺省，不能间隔跳跃给缺省值，例如：

c++ 复制代码

void Func(int a = 10, int b, int c = 20)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl << endl;
}

上述函数会编译报错，因为我们跳过了b直接给a了一个缺省值，违反了规定。因此给缺省值时必须从右向左依次给，不能跳跃。

特别注意：函数声明和定义分离时，缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，规定必须函数声明给缺省值，定义时不再写缺省值。
c++ 复制代码
void Func(int a, int b, int c = 20); // 在声明时给定缺省值
void Func(int a, int b, int c)       // 定义时不再写
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl << endl;
}
声明和定义分离时，若是我们在定义时也给了缺省值，就会有如下报错：

6. 函数重载

C++支持在同⼀作用域中出现同名函数，但是要求这些同名函数的形参不同，可以是参数个数不同或者类型不同。这样C++函数调用就表现出了多态行为，使用更灵活。C语言是不支持同⼀作用域中出现同名函数的。

函数重载有什么用呢，我们举一个简单的例子：

c++ 复制代码

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;
}

在上面的代码中，我们可以看到我们定义了两个同名函数Add，在C语言中这样显然是不可以的，因为函数的名字都必须是唯一的，若是我们要计算浮点型加法时就需要用不同的名字去设计函数。但是在C++中引入了函数重载的概念，在我们使用函数时可以通过不同的参数去自动找到可以匹配的同名函数，

c++ 复制代码

int main()
{
	//此处传入的参数为(int, int),因此调用的是函数 int Add(int left, int right);
	cout << Add(1, 2) << endl;
    //此处传入的参数为(double, double),因此调用的是函数double Add(double left, double right);
	cout << Add(1.0, 2.0) << endl;
	return 0;
}

下面是在使用函数重载的一些要点：

参数类型不同。

参数个数不同。

c++ 复制代码

void f(int a)
{
	cout << "f()" << endl;
} 
void f(int a, int b)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}

参数类型顺序不同。

c++ 复制代码

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;
}

返回值的类型不同不能作为重载条件，因为在调用时无法区分。

函数重载与缺省值一同使用时需要特殊注意

c++ 复制代码

//当我们在调用函数f1时若是不传参数，两个函数的参数列表都符合，因此编译器会报错，不知道到底该调用哪一个
void f1()
{
	cout << "f()" << endl;
} 
void f1(int a = 10)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}

7.引用

7.1 引用的概念与定义

引用也是C++的一大特点。什么是引用呢，简单来说就是给一个已有的变量再取一个名字。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：水浒传中的李逵，宋江叫他"铁牛"，江湖上被称为"黑旋风"。

使用方法：类型& 引用别名 = 引用对象;

C++中为了避免引⼊太多的运算符，会复用C语言的⼀些符号，比如前面的流插入和流提取符 >>和 <<，这里的引用也和取地址使用了同⼀个符号&，⼤家注意使用方法角度区分就可以。

c++ 复制代码

int main()
{
	int a = 0;
	// 引⽤：b和c是a的别名
	int& b = a;
	int& c = a;
	// 也可以给别名b取别名，d相当于还是a的别名
	int& d = b;
	++d;
	cout << &a << ' ' << a << endl;
	cout << &b << ' ' << b << endl;
	cout << &c << ' ' << c << endl;
	cout << &d << ' ' << d << endl;
	return 0;
}

上述代码运行后我们会发现它们的地址相同，并且我们只是对d进行了加一操作，但是它们的输出结果都加了一。

7.2 引用的特性

引用在定义时必须初始化。
⼀个变量可以有多个引用。

引用⼀旦引用⼀个实体，就不能引用其他实体。

c++ 复制代码

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;
	int c = 20;
    
	// 这⾥并⾮让b引⽤c，因为C++引⽤不能改变指向
	b = c;
    // 这⾥是⼀个赋值，相当于把c中的值赋给了b,也就是a
	return 0;
}

因此，引用不能代替指针，因为引用不能改变指向。

7.3 引用的使用

引用在实践中主要是于引用传参和引用做返回值中减少拷贝提高效率和改变引用对象时同时改变被引用对象。（这一条具体的使用方法会在后面讲解其他语法时一同讲解）
引用传参跟指针传参功能是类似的，引用传参相对更方便⼀些。
引用和指针在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有特点，互相不可替代。

C++的引用跟其他语言的引用(如Java)是有很大的区别的，除了用法，最大的点，C++引用定义后不能改变指向，Java的引用可以改变指向。

7.4 const引用

在C语言中我们学过const这个关键词，他的作用是使所修饰的变量成为一个常量，无法被修改。

复习一个小知识：

在用const修饰指针变量时

const int * p修饰的指针所指向的内容

int * const p修饰的是指针本身

引用可以引用⼀个const 对象，但是必须也用const 引用。const引用也可以引用普通对象，因为对象的访问权限在引用过程中可以缩小，但是不能放大。

c++ 复制代码

int main()
{
	const int a = 10;
	// int& ra = a 编译报错：error C2440: "初始化": ⽆法从"const int"转换为"int &"
	// 这⾥的引⽤是对a访问权限的放⼤
	// 引用const变量必须也要用const引用
	const int& ra = a;
	// ra++  编译报错：error C3892: "ra": 不能给常量赋值
	
	int b = 20;
	const int& rb = b;
    // 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩，此时rb是一个const对象,因此当我们在用rb时不能对其进行修改
	// rb++ 编译报错：error C3892: "rb": 不能给常量赋值
	return 0;
}

不过需要注意的是类似以下两种场景

引用时右边为表达式 ：int& rb = a * 3;
引用时右边需要进行类型转换 ：double d = 12.34, int& rd = d;

在这里我们需要先了解一个知识点：

临时变量

所谓临时对象就是编译器需要⼀个空间暂存表达式的求值结果时临时创建的⼀个未命名的对象，C++中把这个未命名对象叫做临时对象。

在上面两种场景中表达式和类型转换的结果保存在⼀个临时对象中，也就是说，rb和rd引用的都是临时对象，而C++规定临时对象具有常性(也就是cosnt 对象)，所以这里就触发了权限放大，必须要用const引用才可以。

7.5 指针和引用的关系

C++中指针和引用就像两个性格迥异的亲兄弟，指针是哥哥，引用是弟弟，在实践中他们相辅相成，功能有重叠性，但是各有自己的特点，互相不可替代。

语法概念上引用是对⼀个变量取的别名，不开空间；指针是存储⼀个变量地址，要开空间。
引用在定义时必须初始化；指针建议初始化，但是语法上不是必须的。
引用在初始化时引用⼀个对象后，就不能再引用其他对象；而指针可以在不断地改变指向对象。
引用可以直接访问指向对象，指针需要解引用才是访问指向对象。
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，64位下是8字节) 。
指针很容易出现空指针和野指针的问题，引用很少出现，引用使用起来相对更安全⼀些。
从底层的汇编角度来看，引用是用指针来实现的。

接下来是两个小语法。

8. inline

inline 是一个关键字，用来修饰函数。用inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用的地方展开内联函数，这样调用内联函数就不需要建立函数栈帧了，就可以提高效率。

C语言实现宏函数也会在预处理时替换展开，但是宏函数实现很复杂很容易出错的，且不方便调试，C++设计了inline目的就是替代C的宏函数。

但是，inline 对于编译器而言只是⼀个建议，也就是说，你加了inline 编译器也可以选择在调用的地方不展开，不同编译器关于inline 什么情况展开各不相同，因为C++标准没有规定这个。inline 适用于频繁调用的短小函数，对于递归函数，代码相对多⼀些的函数，加上inline也会被编译器忽略。

注：inline 修饰的函数不建议声明和定义分离到两个文件，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址，链接时会出现报错。（具体要看汇编代码）

9. nullptr

在C++中，我们用nullptr来代替空指针NULL。NULL实际上是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

C++中NULL可能被定义为字面常量0，或者C中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。因此C++11中引入nullptr ，nullptr 是⼀个特殊的关键字，nullptr 是⼀种特殊类型的字⾯量，它可以转换成任意其他类型的指针类型。使*⽤nullptr* 定义空指针可以避免类型转换的问题，因为nullptr只能被隐式地转换为指针类型，而不能被转换为整数类型。

尾声

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