C++入门指南：开启你的编程之旅

引言

在编程语言的浩瀚星海中，C++如同一颗璀璨的恒星，历经数十年依然光芒不减。它驱动着我们所依赖的无数系统------从操作系统到游戏，从浏览器到金融交易系统。无论你是渴望理解计算机的深层工作原理，还是想打造性能极致的应用，学习C++都将是一次收获丰厚的旅程。本指南将为你点亮第一盏灯，带你迈入C++世界的大门。

一、发展历史

C++的故事是一部编程语言的进化史诗，它展现了一门语言如何顺应时代需求，在保持核心哲学的同时不断革新。理解这段历史，能让我们更好地领会C++的设计理念和强大能力。

1.1 前奏：C语言的局限（1970年代）

在C++诞生之前，C语言是系统编程的主流选择。然而随着软件规模扩大，C语言在以下方面显露出不足：

缺乏对面向对象编程的支持
代码复用机制不够强大
大型项目难以管理和维护

1.2 诞生："C with Classes"（1979-1983）

1979年 ，贝尔实验室的Bjarne Stroustrup开始着手解决上述问题。

"我想要的是这样的语言：它能够像Simula那样很好地组织程序，又能像C那样高效运行。"

1983年，Bjarne Stroustrup 在 C 语言的基础上添加了面向对象编程的特性，设计出了 C++ 语言的雏形，此时的 C++ 已经有了类、封装、继承等核心概念，为后来的面向对象编程奠定了基础。这⼀年该语言被正式命名为 C++ 。

1.3 完善

在随后的几年中，C++ 在学术界和工业界的应用逐渐增多。一些大学和研究所开始将 C++ 作为教学和研究的首选语言，而⼀些公司也开始在产品开发中尝试使用 C++。这⼀时期，C++ 的标准库和模板等特性也得到了进一步的完善和发展。

C++ 的标准化工作于 1989 年开始，并成立了⼀个 ANSI 和 ISO（InternationalStandards Organization）国际标准化组织的联合标准化委员会。1994年标准化委员会提出了第一个标准化草案。在该草案中，委员会在保持斯特劳斯特卢普最初定义的所有特征的同时，还增加了部分新特征。

在完成C++标准化的第一个草案后不久，STL（StandardTemplateLibrary）是惠普实验室开发的⼀系列软件的统称。它是由AlexanderStepanov、MengLee和DavidRMusser在惠普实验室工作时所开发出来的。在通过了标准化第⼀个草案之后，联合标准化委员会投票并通过了将STL包含到C++ 标准中的提议。STL对C++的扩展超出C++的最初定义范围。虽然在标准中增加STL是个很重要的决定，但也因此延缓了C++标准化的进程。

1.4 正式使用

1997年11月14日，联合标准化委员会通过了该标准的最终草案。1998年，C++ 的ANSI / IS0标准被投入使用。

二、命名空间（namesace）

2.1 为什么使用命名空间

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。

cpp 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;
}

2.2 命名空间的定义

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++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 。

cpp 复制代码

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

 // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
namespace zzq
{
    int rand = 10;

    int Add(int left, int right)
    {
        reteurn left + right;
    }

    struct Node
    {
        int val;
        struct Node* next;
    };

}
int main()
{
     // 这⾥默认是访问的是全局的rand函数指针
    printf("%d\n", rand);
     // 这里是zzq命名空间的rand变量
    printf("%d\n", zzq::rand);
 
    return 0;
}

namespace 只能定义在全局，当然它还可以嵌套定义。

cpp 复制代码

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

namespace zzq
{
	namespace zz
	{
		int rand = 1;
		int Add(int left, int right)
		{
			return left + right;
		}
	}

	namespace z
	{
		int rand = 2;
		int Add(int left, int right)
		{
			return left + right;
		}
	}
}

int main()
{
	printf("%d\n", zzq::zz::rand);       //输出1
	printf("%d\n", zzq::z::rand);        //输出2

	printf("%d\n", zzq::zz::Add(1, 2));  //输出3
	printf("%d\n", zzq::z::Add(1, 3));   //输出4
	return 0;
}

项目工程中多多件中定义的同名 namespace 会认为是同⼀个 namespace ，不会冲突。
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：

指定命名空间访问，项目中推荐这种方式。
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。
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。

cpp 复制代码

#include<stdio.h>

//未指定命名空间就访问
namespace zzq
{
	int a = 10;
	int b = 20;
}
int main()
{

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

cpp 复制代码

#include<stdio.h>

//指定命名空间访问
namespace zzq
{
	int a = 10;
}

int main()
{
	printf("%d\n", zzq::a); // 输出10
	return 0;
}

cpp 复制代码

#include<stdio.h>

namespace zzq
{
	int a = 10;
	int b = 20;
}

//using 将指定命名空间展开
using zzq::b;
int main()
{
	printf("%d\n", zzq::a);//输出10
	printf("%d\n", b);    //输出20
	return 0;
}

cpp 复制代码

#include<stdio.h>

namespace zzq
{
	int a = 10;
	int b = 20;
}

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

三、输入输出

<iosteam>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（narrow characters (of type char)）的标准输入流。
std::out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存区。
<< 是流插入运算符，>> 是流提取运算符。
使用 C++ 输入输出更方便 ，不像 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方式去使用它们。
一般日常练习中我们可以使用 using namespace std ，实际项目开发中不建议使用 using namespace std。

下面代码中我们没有包含 <stdio.h> ，也可以使用 printf 和 scanf ，因为它们在 <iostream> 中间接包含了。vs系列编译器是这样的，其他编译器可能会报错。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;
	float b = 20.5f;
	char c = 's';

	cout << a << " " << b << " " << c << endl;           //输出 10 20.5f s
	std::cout << a << " " << b << " " << c << std::endl; //输出 10 20.5f s

	scanf("%d%f", &a, &b);
	printf("%d %f", a, b);

	//可以自动识别类型
	cin >> a >> b >> c;
	cout << a << " " << b << " " << c << endl;
	return 0;
}

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

缺省参数是声明和定义函数时为函数参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定的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。（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。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
void Func(int a = 20)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	//没有传参时使用函数参数的默认值
	Func();   //输出20
	//传参时，使用指定的实参
	Func(10); //输出10
	return 0;
}

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;
}

//半缺省
void Func2(int a, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
}

int main()
{
	Func1();        //输出10 20 30
	Func1(1);       //输出1 20 30
	Func1(1, 2);    //输出1 2 30
	Func1(1, 2, 3); //输出1 2 3

	//Func2();  错误写法，必须有一个参数
	Func2(1);       //输出1 20 30
	Func2(1, 2);    //输出1 2 30
	Func2(1, 2, 3); //输出1 2 3
	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。

函数参数不同
参数个数不同

参数类型顺序不同

cpp 复制代码

//函数参数类型不同
#include<iostream>
using namespace std;

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;
}

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

cpp 复制代码

//函数参数个数不同
#include<iostream>
using namespace std;

void Fun()
{
	cout << "void Fun1" << endl;
}

void Fun(int a)
{
	cout << "void Fun2(int a)" << endl;
}

int main()
{
	Fun();
	Fun(1);
	return 0;
}

cpp 复制代码

//参数类型顺序不同
#include<iostream>
using namespace std;

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

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

int main()
{
	Fun(1, 1.0);
	Fun(1.0, 1);
	return 0;
}

返回值不同不能作为重载条件，因为调用时也无法区别

六、引用

6.1 概念和定义

引用不是新定义一个变量，而是给已存在的变量起了一个别名，编译器不会为引用变量开辟空间 ，它和它引用的变量共用同⼀块内存空间。

类型& 引用别名 = 引用对象；

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;
}

6.2 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;
	
	// 编译报错："ra" :必须初始化引⽤
	int& ra;
	
	// 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
	int& b = a;
	int c = 20;
	b = c;

	cout << a << endl;  //输出20
	cout << b << endl;  //输出20
	cout << c << endl;  //输出20

	//a, b 地址相同，c 不同
	cout << &a << endl; 
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;
	return 0;
}

6.3 使用

引用在实践中主要用于引用传参和引用做返回值 中减少拷贝从而提升效率 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。

七、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。
需要注意的是类似
cpp 复制代码
```
int& rb = a * 3;
double d = 12.34;
int& rd = d;
```
这样一些场景下a * 3 的结果保存在一个临时变量 中，int& rd = d 也是类型，在类型转换中也会产生临时对象存储中间值 ，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，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。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	// 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
	const int a = 10;
	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++;
	return 0;
}

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

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

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

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

	return 0;
}

7.1 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。

八、inline（内联函数）

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。

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()
{
	// 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;
}

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;

// 实现⼀个ADD宏函数的常⻅问题
// #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))

// 为什么不能加分号?
// 为什么要加外⾯的括号?
// 为什么要加⾥⾯的括号?

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;
}

cpp 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;
}

九、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：

cpp 复制代码

#ifndef 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。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

void f(int* ptr) 
{
    cout << "调用了指针版本的f(int*)\n";
}

void f(int x) 
{
    cout << "调用了int版本的f(int)\n";
}

int main() 
{
    f(NULL);  // 会调用f(int)而不是预期的f(int*)
    // f((void*)NULL);  // 这句会报错，因为没有匹配的函数
    //解决方案：
    f(nullptr)
    
    return 0;
}