c++入门基础 - 技术栈

[1. 命名空间](#1. 命名空间)

[1.1 namespace的作用](#1.1 namespace的作用)

[1.2 namespace的定义](#1.2 namespace的定义)

[1.3 命名空间的使用](#1.3 命名空间的使用)

[2. c++中的输入和输出](#2. c++中的输入和输出)

[3. 缺省参数](#3. 缺省参数)

[4. 函数重载](#4. 函数重载)

[5. 引用](#5. 引用)

[5.1 引用的定义和概念](#5.1 引用的定义和概念)

[5.2 引用的特性](#5.2 引用的特性)

[5.3 引用的使用](#5.3 引用的使用)

[5.4 const引用](#5.4 const引用)

[5.5 指针和引用的关系](#5.5 指针和引用的关系)

[6. inline](#6. inline)

宏定义常见的问题：

[7. nullptr](#7. nullptr)

正文开时：

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

cpp 复制代码

// test.cpp
#include<stdio.h>

int main()
{
    printf("hello world\n");

    return 0;
}

//因为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

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	cout << "hello world\n" << endl;

	return 0;
}

1. 命名空间

1.1 namespace的作用

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。

1.2 namespace的定义

1. 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。

**2.**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>

// 1. 正常的命名空间定义
// noodles是命名空间的名字，⼀般开发中是⽤项⽬名字做命名空间名。

namespace noodles
{
    // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    int rand = 10;
    int Add(int left, int right)
    {
        return left + right;
    }

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

int main()
{
    // 这⾥默认是访问的是全局的rand函数指针
    printf("%p\n", rand);

    // 这⾥是指定noodles命名空间中的rand
    printf("%d\n", noodles::rand);  // :: 为域作用限定符,去noodles的命名空间里找rand

    return 0;
}

3. 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。

4. namespace只能定义在全局，当然他还可以嵌套定义。

cpp 复制代码

// 命名空间可以嵌套

namespace fruit
{
    namespace apple
    {
        int rand = 1;

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

    namespace banana
    {
        int rand = 2;

        int Add(int left, int right)
        {
            return (left + right)*10;
        }

    }
}

int main()
{
    printf("%d\n", fruit::apple::rand);
    printf("%d\n", fruit::banana::rand);
    
    printf("%d\n", fruit::apple::Add(1, 2));
    printf("%d\n", fruit::banana::Add(1, 2));

    return 0;
}

5. 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。

6. C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

1.3 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：

cpp 复制代码

#include<stdio.h>

namespace fruit
{
    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;
}

方式1： 指定命名空间访问，项⽬中推荐这种⽅式。

cpp 复制代码

// 指定命名空间访问

#include <stdio.h>
namespace fruit
{
    int a = 0;
    int b = 0;
}

int main()
{
    printf("%d\n", fruit::a);
    return 0;
}

方式2： using将命名空间中某个成员展开，项⽬中需经常访问不存在冲突的成员推荐这种⽅式。

cpp 复制代码

// using将命名空间中某个成员展开
#include <stdio.h>
namespace fruit
{
    int a = 0;
    int b = 0;

}

using fruit::b;

int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);

    return 0;
}

方式3： 展开命名空间中全部成员，项⽬中不推荐，冲突风险很⼤，⽇常中小练习程序为了方便推荐使用。

cpp 复制代码

// 展开命名空间中全部成员
#include <stdio.h>
namespace fruit
{
    int a = 0;
    int b = 0;
}

using namespce fruit;

int main()
{
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);

    return 0;
}

2. c++中的输入和输出

<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。
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。
这里我们没有包含<stdio.h>，也可以使⽤printf和scanf，因为<iostream>间接包含了。在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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#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;
}

注：

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;
}

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）

cpp 复制代码

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

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

int main()
{
    Func(); // 没有传参时，使⽤参数的缺省值：0
    Func(10); // 传参时，使⽤指定的实参：10

    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 << 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;
}

Func1：

Func2：

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，不能间隔着或跳跃着给缺省值 。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，规定必须在函数声明时给缺省值。

cpp 复制代码

// Stack.h头文件，声明处
typedef struct Stack {
    int* a;
    int top;
    int capacity;
} ST;

void StackInit(ST* ps, int n = 10);  // 声明：缺省参数在声明中给出


// Stack.cpp源文件，定义处
#include "Stack.h"

void StackInit(ST* ps, int n)  // 定义：不要重复缺省参数
{
    ps->a = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
    if (ps->a == NULL) 
    {
        perror("malloc fail");
        return;
    }
    ps->top = 0;
    ps->capacity = n;
}

int main()
{
    ST s1;
    StackInit(&s1);      // 正确,只传了&s1，期望使用缺省值10
    StackInit(&s1, 20);  // 也可以显式指定容量
    
    // 使用栈...
    
    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。

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;
}

void Swap(int* px, int* py)
{}

void Swap(double* px, double* py)
{}

// 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
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(1, 2);
	Add(1.1, 2.2);

	f();
	f(1);

	f(1, 'x');
	f('x', 1);

	return 0;
}

cpp 复制代码

// 下面两个函数构成重载
// f1()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;
}

//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()
{
	return 0;
}

int fxx()
{
	return 0;
}

5. 引用

5.1 引用的定义和概念

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。比如：水浒传中李逵，宋江叫"铁牛"，江湖上⼈称"黑旋风"；林冲，外号豹子头。

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&，注意使用方法、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;  //此处++d,就相当于++a

	// 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;
}

回顾：

在之前讲的数据结构--单链表一文中，对单链表的增删查改操作，采取的是二级指针的方式，那现在了解到了引用的概念，那么现在可以对其进行改进，如下：

cpp 复制代码

typedef struct ListNode
{
	int val;
	struct ListNode* next;
}LTNode, * PNode;

//  * PNode -> typedef struct ListNode* PNode; //另一种引用方式

//void ListPushBack(LTNode** phead, int x) //之前的声明方式

// 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)   //使用引用后的声明方式
//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;
	LTNode* plist = NULL;
	ListPushBack(plist, 1);

	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

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;
}

5.3 引用的使用

是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。
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，本文不做详细解释。
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，最大的特点是C++引⽤定义后不能改变指向，Java的引用可以改变指向。
在⼀些主要用C代码实现版本数据结构中，使用C++的引用替代指针传参，可以简化程序，避开复杂的指针。

例如之前数据结构中Swap函数是用指针传承来实现其功能的，但是现在可以用引用实现：

cpp 复制代码

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;
}

再比如之前用c语言实现的数据结构--栈和队列一文中的代码，在使用引用后，可有如下方式的改进：

cpp 复制代码

#include<iostream>
#include <assert.h>

using namespace std;

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

void STInit(ST& rs, int n = 4)
{
	rs.a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
	rs.top = 0;
	rs.capacity = n;
}

// 栈顶
void STPush(ST& rs, STDataType x)
{
	//assert(ps); 此处不需要断言了

	// 满了， 扩容
	if (rs.top == rs.capacity)
	{
		printf("扩容\n");
		int newcapacity = rs.capacity == 0 ? 4 : rs.capacity * 2;
		STDataType * tmp = (STDataType*)realloc(rs.a, newcapacity *sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		rs.a = tmp;
		rs.capacity = newcapacity;
	}

	rs.a[rs.top] = x;
	rs.top++;
}

// int STTop(ST& rs)
int& STTop(ST& rs)
{
	assert(rs.top > 0);

	return rs.a[rs.top - 1];
}

int main()
{
	// 调⽤全局的
	ST st1;
	STInit(st1);
	STPush(st1, 1);
	STPush(st1, 2);

	cout << STTop(st1) << endl;

	STTop(st1) += 10;

	cout << STTop(st1) << endl;

	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。

cpp 复制代码

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++;

	return 0;
}

cpp 复制代码

#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{
	int a = 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 = a * 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
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⼀下以下两个地方
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;
	
	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;
}

宏定义常见的问题：

cpp 复制代码

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))

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;
}

1. 为什么不能加分号（；）？

如果宏定义末尾有分号，调用时可能变成两个分号

cpp 复制代码

#define ADD(a, b) ((a) + (b));
int ret = ADD(1, 2)  展开后：int ret = ((1) + (2));;

2. 为什么要加外面的括号？

防止宏作为表达式的一部分时的优先级问题

cpp 复制代码

cout << ADD(1, 2)*5 << endl;
    展开后：
cout << 1 + 2*5 << endl;   实际是 1 + (2*5) = 11
    但我们期望的是 (1+2)*5 = 15

3. 为什么要加里面的括号？

防止参数是表达式时的运算符优先级问题

cpp 复制代码

ADD(x & y, x | y);
 展开后：
x & y + x | y;
 由于优先级问题：+ 优先级高于 & 和 |
 实际是：x & (y + x) | y
 但我们期望的是：(x & y) + (x | y)

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：

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(int x)，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 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);

	// 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);

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