c++学习笔记——c++基础

C++基础

1. 命名空间

1.1 namespace的价值

在C/C++中，变量、函数和类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称如果都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() {
    // 编译报错：error C2365: "rand": 重定义；以前的定义是"函数"
	printf("%d\n", rand);
	return 0;
}

1.2 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。

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，所以下⾯的rand不在冲突了。

c++ 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

namespace abc
{
	// 变量
	int rand = 10;
	// 函数
	int Add(int a, int b) {
		return a + b;
	}
	// 类型
	struct Node {
		int val;
		struct Node* next;
	}
}

int main() {
	// 指定访问abc中的rand
	// ::称为域作用限定符
	printf("%d\n", abc::rand);
	return 0;
}

C++中的域有函数局部域 ，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，所以有了域隔离，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

// 嵌套定义
#include <iostream>

namespace A
{
	namespace B
	{
		int rand = 1;

		int func(int a, int b) {
			return a + b;
		}
	}

	namespace C
	{
		int rand = 2;

		int func(int a, int b) {
			return a - b;
		}
	}
}
// 引用语法如下
int main() {
	std::cout << "A::B::rand -> " << A::B::rand << std::endl;
	std::cout << "A::C::rand -> " << A::C::rand << std::endl;
	std::cout << "A::B::func(1,2) -> " << A::B::func(1, 2) << std::endl;
	std::cout << "A::C::func(1,2) -> " << A::C::func(1, 2) << std::endl;
	return 0;
}

项⽬⼯程中多⽂件中定义的同名namespace会认为是⼀个namespace，合并到一起，不会冲突。
C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

1.3 命名空间使用

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。所以下面程序会编译报错。

c++ 复制代码

#include <stdio.h>

namespace A
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

int main() {
	// 编译报错：error C2065 : "a":未声明的标识符
	printf("%d\n", a);
	return 0;
}

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

#include <stdio.h>

namespace A
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

int main() {
	// 指定命名空间访问
	printf("%d\n", A::a);
	return 0;
}

using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

#include <stdio.h>

namespace A
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

using A::b;

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

展开命名空间中全部成员，项⽬不推荐，冲突⻛险很⼤，⽇常⼩练习程序为了⽅便推荐使⽤

c++ 复制代码

#include <stdio.h>

namespace A
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

using namespace A;

int main() {
	// 展开命名空间中的全部成员
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}

2. C++输入&输出

是InputOutputStream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（narrowcharacters(oftypechar)）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加刷新缓冲区
<<是流插⼊运算符，>>是流提取运算符。（C语⾔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)，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
cout/cin/endl等都属于C++标准库，C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中，所以要通过命名空间的使⽤⽅式去⽤他们

c++ 复制代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
	int a = 0;
	double b = 0.1;
	char c = 'x';

	// 展开std命名空间，实际项目开发中不建议使用
	cout << a << " " << b << "  " << c << endl;
	std::cout << a << " " << b << "  " << c << std::endl;

	// 对比c/c++输入输出，后者可以自动识别变量类型
	scanf("%d%lf", &a, &b);
	printf("%d %lf\n", a, b);

	cin >> a;
	cin >> b >> c;

	cout << a << endl;
	cout << b << " " << c << endl;


	// 由于c++输入输出的自动识别是通过重载实现的
	// 为了便利，实际上做出了一些效率上的牺牲
	// 在io需求⽐较⾼的地⽅，如部分⼤量输⼊的竞赛题中，加上以下3⾏代码
	// 可以提高c++的IO效率
	ios_base::sync_with_stdio(false);
	cin.tie(nullptr);
	cout.tie(nullptr);

	return 0;
}

3. 缺省参数

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，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，半缺省就是部分形参给缺省值。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
带缺省参数的函数调⽤，C++规定必须从左到右依次给实参，不能跳跃给实参
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

c++ 复制代码

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;

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

// 全缺省
void Func1(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
void Func2(int a, int b = 10, int c = 20)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl << 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
	
	Func1();
	Func1(1);
	Func1(1, 2);
	Func1(1, 2, 3);
	Func2(100);
	Func2(100, 200);
	Func2(100, 200, 300);

	return 0;
}

4. 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

c++ 复制代码

#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，本质上也可以说是第1种吧
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;
}

// 返回值不同不能作为重载条件，因为调⽤时也⽆法区分
/*
void fxx()
{}

int fxx()
{
    return 0;
}
*/

// 下⾯两个函数构成重载
// 但是调⽤时，会报错，存在歧义，编译器不知道调⽤谁
void f1()
{
	cout << "f1()" << endl;
}

void f1(int a = 10)
{
	cout << "f1(int a)" << endl;
}

int main() {
	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.3);

	f();
	f(10);

	f(10, 'a');
	f('a', 10);

	return 0;
}

5. 引用

5.1 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

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<<和>>，这⾥引⽤也和取地址使⽤了同⼀个符号&，使⽤时注意区分就可以

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

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;
	
	// 这里取地址我们看到是一样的
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;
	cout << &d << endl;

	return 0;
}

5.2 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，再不能引⽤其他实体

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;

	// 编译报错："ra"：必须初始化引用
	// int& ra;

	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
	// 这里是一个赋值
	b = c;

	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;

	return 0;
}

5.3 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⻉提⾼效率和改变引⽤对象时同时改变被引⽤对象
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
引⽤返回值的场景相对⽐较复杂，在类和对象中的使用会更深⼊
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

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

typedef struct SeqList
{
	int a[10];
	int size;
}SLT;

// 使⽤C++引⽤替代指针传参，以简化程序
void SeqPushBack(SLT& sl, int x)
{}
typedef struct ListNode
{
	int val;
	struct ListNode* next;
}LTNode, * PNode;

// 指针变量也可以取别名，这⾥LTNode*& phead就是给指针变量取别名
// 这样就不需要⽤⼆级指针了，相对⽽⾔简化了程序
// void ListPushBack(LTNode** phead, int x)
// void ListPushBack(LTNode*& phead, int x)
void ListPushBack(PNode& phead, int x)
{
	PNode newnode = (PNode)malloc(sizeof(LTNode));
	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;
	if (phead == NULL)
	{
		phead = newnode;
	}
	else
	{
		// ...
	}
}

int main()
{
	PNode plist = NULL;
	ListPushBack(plist, 1);

	return 0;
}

5.4 const引用

可以引⽤⼀个const对象，但是必须⽤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
不过需要注意的是类似int& rb = a*3; double d = 12.34; int& rd = d; 这样⼀些场景下a*3的和结果保存在⼀个临时对象中，int& rd = d也是类似，在类型转换中会产⽣临时对象存储中间值，也就是时，rb和rd引⽤的都是临时对象，⽽C++规定临时对象具有常性，所以这⾥就触发了权限放⼤，必须要⽤常引⽤才可以
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

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	const int a = 10;
	// 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
	// int& ra = a;

	// 这样才可以
	const int& ra = a;
	// 编译报错：error C3892 : "ra":不能给常量赋值
	// ra++;

	// 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩
	int b = 20;
	const int& rb = b;
	// 编译报错：error C3892 : "rb":不能给常量赋值
	// rb++;

	int c = 10;

	const int& ra = 30;

	// 编译报错："初始化"：无法从"int"转换为"int &"
	// int& rb = a * 3;
	const int& rb = c * 3;

	double d = 12.34;
	// 编译报错："初始化"：无法从"double"转换为"int &"
	// int& rd = d;
	
	const int& rd = d;
	
	return 0;
}

5.5 指针和引用的关系

C++中指针和引⽤，在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有⾃⼰的特点，互相不可替代

语法概念上引⽤是⼀个变量的取别名不开空间，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8byte)
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

6. inline

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需要建⽴栈帧了，就可以提⾼效率
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
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
inline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
vs编译器debug版本下⾯默认是不展开inline的，这样⽅便调试，debug版本想展开需要设置以下两个地⽅

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

inline int Add(int x, int y)
{
	int ret = x + y;
	ret += 1;
	ret += 1;
	ret += 1;
	return ret;
}

int main() {
	// 可以通过汇编观察程序是否展开
	// 有call Add语句就是没有展开，没有就是展开了
	int ret = Add(1, 2);
	cout << Add(1, 2) * 5 << endl;

	return 0;
}

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

// 实现一个ADD宏函数的常见问题
// #define ADD(int a, int b) return a + b;
// #define ADD(a, b) a + b;
// #define ADD(a, b) (a + b)

// 正确的宏实现
#define ADD(a, b) ((a) + (b))
// 可以思考：
// 为什么不能加分号？
// 为什么要加外面/里面的括号？

int main() {
	int ret = ADD(1, 2);

	cout << ADD(1, 2) << endl;

	cout << ADD(1, 2) * 5 << endl;

	int x = 1, y = 2;
	ADD(x & y, x | y);  // -> (x&y+x|y)

	return 0;
}

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() {
	// 链接错误：⽆法解析的外部符号"void __cdecl f(int)" (? f@@YAXH@Z)
	f(10);
	return 0;
}

7. nullptr

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：

c++ 复制代码

#ifdef NULL
	#ifdef __cplusplus
		#define NULL	0
	#else
		#define NULL	((void *)0)
	#endif
#endif

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，本想通过f(NULL)调⽤指针版本的f(int)函数，但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(intx)，因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL);调⽤会报错
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

c++ 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

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

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

int main() {
	f(0);

	// 本想通过f(NULL)调⽤指针版本的f(int*)函数
	// 但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(int x)，因此与程序的初衷相悖
	f(NULL);
	f((int*)NULL);

	// 编译报错：error C2665 : "f": 2个重载中没有⼀个可以转换所有参数类型
	// f((void*)NULL);

	f(nullptr);

	return 0;
}