【C++成长之旅】C++入门基础：从 Hello World 到命名空间与函数重载的系统学习

C++入门基础：从 Hello World 到命名空间与函数重载的系统学习

✨前言： C++ 作为一门兼具 高性能 与 面向对象特性 的编程语言，被广泛应用于作系统、游戏引擎、数据库和高性能应用的开发。
对很多初学者来说，C++ 看起来复杂、难度大，但其实只要掌握基础概念，逐步深入，就能体会到它的强大与优雅。
本文将从 第一个 C++ 程序 开始，逐步带你了解 命名空间、输入输出、缺省参数、函数重载、引用、inline、nullptr 等核心知识点，帮助你打下扎实的 C++ 基础。

📖专栏：【C++成长之旅】

[C++入门基础：从 Hello World 到命名空间与函数重载的系统学习](#C++入门基础：从 Hello World 到命名空间与函数重载的系统学习)
- 一、C++的第一个程序
- 二、命名空间
- - [2.1 namespace的价值](#2.1 namespace的价值)
  - [2.2 namespace的定义](#2.2 namespace的定义)
  - [2.3 命名空间的使用](#2.3 命名空间的使用)
- 三、C++的输入输出
- 四、缺省参数
- 五、函数重载
- 六、引用
- - [6.1 引用的概念和定义](#6.1 引用的概念和定义)
  - [6.2 引用的特性](#6.2 引用的特性)
  - [6.3 引用的使用](#6.3 引用的使用)
  - [6.4 const引用](#6.4 const引用)
  - [6.5 指针和引用的关系](#6.5 指针和引用的关系)
- 七、inline
- 八、nullptr
- 九、总结

一、C++的第一个程序

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	cout << "hello world!" << endl;
	return 0;
}

C++兼容C语言绝大多数的语法，所以我们也可以用C语言实现的hello world!，依旧可以运行。

c 复制代码

//C语言实现
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("hello world!\n");
	return 0;
}

二、命名空间

2.1 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，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;
}

命名冲突导致的问题：

在C语言中，出现这种情况是无法处理的，我们只能选择不这样写，但是C++中namespace的出现就可以很好的解决这种问题。

2.2 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。

cpp 复制代码

namespace suxi
{
	int rand = 10;
	//......
}

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。

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
namespace suxi
{
	int rand = 10;
	//......
}

int main()
{
	// 这里默认是访问的是全局的rand函数指针 
	printf("%p\n", rand);
	// 这里指定suxi命名空间中的rand 
	printf("%d\n", suxi::rand);
	return 0;
}

输出：

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。

cpp 复制代码

namespace suxi
{
	//int rand = 10;
	////......
	namespace su
	{
		//......
	}
	namespace xi
	{
		//......
	}
}

项目工程中多文件中定义的同名namespace会认为是⼀个namespace，不会冲突。

我们在学习栈的时候，会将栈的类型定义和函数的声明放在Stack.h中，将函数实现放在Stack.c中。我们在多文件中可以定义同名namespace，他们会默认合并到⼀起，就像同⼀个namespace⼀样。

在这里需要注意一个点：
.h + .cpp → 在编译阶段（预处理后）就已经合并了命名空间。
多个 .cpp → 每个文件单独编译，命名空间内容写进各自的目标文件，到链接时才统一在一起。

C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

2.3 命名空间的使用

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。所以下面程序会编译报错。所以我们要使用命名空间中定义的变量/函数，有三种方式（这里我们输出函数先用C语言的，不然太复杂了）：

指定命名空间访问，项目中推荐这种方式。

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
namespace suxi
{
	int a = 10;

	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}
int main()
{
	printf("%d\n", suxi::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。

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
namespace suxi
{
	int a = 10;

	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}
using suxi::a;
int main()
{
	printf("%d\n", a);
	return 0;
}

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使用。

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
namespace suxi
{
	int a = 10;

	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}
using namespace suxi;
int main()
{
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", Add(1, 4));
	return 0;
}

我们第一个C++程序就用展开了命名空间中全部成员

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	cout << "hello world!" << endl;
	return 0;
}

如果没有展开标准库就得这样写：

cpp 复制代码

#include<iostream>
int main()
{
	std::cout << "hello world!" << std::endl;
	return 0;
}

三、C++的输入输出

1. 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
2. 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。
3. std::cout 是 ostream 类的对象，它主要面向窄字符的标准输出流。
4. 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。
5. <<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）
6. 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，后续会说)，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。
7. 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，这些知识对于C++入门的我们还是有点难的，所以这里我们只能简单认识⼀下C++ IO流的用法。
8. 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。
9. ⼀般日常练习中我们可以using namespace std，实际项目开发中不建议using namespace std。
10. 如果我们没有包含<stdio.h>，也可以使用printf和scanf，在包含间接包含了。vs系列编译器是这样的，其他编译器可能会报错。

作为初学者，我们要多练习，下面的代码我们可以试着对每一步的输入输出进行操作来看看效果。

cpp 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;
	std::cout << a << " " << b << " " << c << std::endl;
	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;
}

辨析：

#include<iostream>是告诉编译器有 std::cout 等符号的声明，但它们的定义在库中。
using namespace std; 是简化代码，让你在当前作用域内直接使用 cout 等符号，而不需要每次都写 std::

注意：

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	// 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++IO效率 
	ios_base::sync_with_stdio(false);
	cin.tie(nullptr);
	cout.tie(nullptr);
	return 0;
}

四、缺省参数

1. 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）

cpp 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;
}

2. 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。
3. 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。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;
// 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()
{
	Func1();
	Func1(1);
	Func1(1, 2);
	Func1(1, 2, 3);
	Func2(100);
	Func2(100, 200);
	Func2(100, 200, 300);
	return 0;
}

4. 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。

对于缺省参数的好处，我们这里简单举个例子，就以上述栈的初始化为例：

cpp 复制代码

#include"Stack.h"
int main()
{
	// 一般情况，默认初始化为4
	ST s1;
	STInit(&s1);

	// 确定知道要插入100个数据，初始化时一把开好，避免扩容 
	ST s2;
	STInit(&s2, 100);
	return 0;
}

五、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。

cpp 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 (也属于类型不同)
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;
}

int main()
{
	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.2);
	f();
	f(10);
	f(10, 'a');
	f('a', 10);
	return 0;
}

输出：

那下面的是否构成函数重载

cpp 复制代码

void fxx()
{}

int fxx()
{
 return 0;
}

答案是：** 返回值不同不能作为重载条件，因为调用时也无法区分。**

再看这种呢？

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

void f1()
{
	cout << "f()" << endl;
}
void f1(int a = 10)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}
int main()
{
	f1();
	f1(5);
	return 0;
}

答案是：**上面两个函数构成重载，但是当f1()调用时，会报错，存在歧义，编译器不知道调用谁。 **

六、引用

6.1 引用的概念和定义

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：水壶传中李逵，宋江叫"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"；林冲，外号豹子头......

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<< 和 >>，这里引用也和取地址使用了同⼀个符号&，大家注意使用方法法角度区分就可以。

cpp 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;
}

调试：

6.2 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。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	
	//int& ra;
	// 编译报错："ra": 必须初始化引用 
	
	int& b = a;
	int c = 20;

	b = c;
	// 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 
	
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;
	return 0;
}

6.3 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 中减少拷背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。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
//有了引用，两数交换就可以这样写
void Swap(int& rx, int& ry)
{
	int tmp = rx;
	rx = ry;
	ry = tmp;
}
int main()
{
	int x = 0, y = 1;
	cout << x << " " << y << endl;
	Swap(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;
	return 0;
}

引用返回值的场景相对比较复杂，我们在这里简单讲了⼀下场景。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

//获取栈顶元素这样写
int& STTop(ST& rs)
{
	assert(rs.top > 0);
	return rs.a[rs.top];
}
int main()
{
	// 调用全局的 
	ST st1;
	STInit(st1);
	STPush(st1, 1);
	STPush(st1, 2);
	cout << STTop(st1) << endl;
	STTop(st1) += 10;
	//直接改变栈顶元素
	cout << STTop(st1) << endl;
	return 0;
}

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。
⼀些主要用C代码实现版本数据结构教材中，使用C++引用替代指针传参，目的是简化程序，避开复杂的指针，但是很多同学没学过引用，导致⼀头雾水。

cpp 复制代码

//C语言写法
void ListPushBack(LTNode** phead, int x)
// 指针变量也可以取别名，
// 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)
//这里LTNode*& phead就是给指针变量取别名

6.4 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。

cpp 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
	// 这样才可以 
	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 
	
	//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 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。

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 10;
	const int& ra = 30;

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

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

	return 0;
}

解释一个，其他都类似：

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。

6.5 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。

语法概念上引用是一个变量的取别名不占空间，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。

七、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 什么情况下展开各不相同，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。
VS 编译器 debug 版本下面默认是不展开 inline 的，这样方便调试。

cpp 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()
{
 	int ret = Add(1, 2);
 	cout << Add(1, 2) * 5 << endl;
 	return 0;
}

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。

cpp 复制代码

#include "F.h"
int main()
{
	f(10);
	return 0;
}

八、nullptr

C/C++中，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

看下下面代码的输出：

cpp 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);

	// f((void*)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 
	
	//在C语言中可以(void*)类型的指针被任何类型的指针接受（隐式转换为其它类型），但是C++不行
	
	f(nullptr);
	return 0;
}

输出：

C++中 NULL 可能被定义为字面量常量 0，或者在 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(int x)，因此与程序的初衷相悖。

使用 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 不能被转换为整型类型。

九、总结

C++ 的学习是一个 循序渐进、厚积薄发 的过程。

掌握好这些基础概念，就为后续深入学习 面向对象编程、STL、现代C++特性 等内容奠定了坚实的根基。

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【C++成长之旅】C++入门基础：从 Hello World 到命名空间与函数重载的系统学习

C++入门基础：从 Hello World 到命名空间与函数重载的系统学习

目录

一、C++的第一个程序

二、命名空间

2.1 namespace的价值

2.2 namespace的定义

2.3 命名空间的使用

三、C++的输入输出

四、缺省参数

五、函数重载

六、引用

6.1 引用的概念和定义

6.2 引用的特性

6.3 引用的使用

6.4 const引用

6.5 指针和引用的关系

七、inline

八、nullptr

九、总结