C++基础 - 技术栈

1. C++历史

C++ 的起源可以追溯到 1979 年，当时 Bjarne Stroustrup (本贾尼・斯特劳斯特卢普，这个翻译的名字不同的地方可能有差异) 在贝尔实验室从事计算机科学和软件工程的研究工作。面对项目中复杂的软件开发任务，特别是模拟和操作系统的开发工作，他感受到了现有语言（如 C 语言）在表达能力、可维护性和可扩展性方面的不足。

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++。

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（International Standards 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（Standard Template Library）是惠普实验室开发的一系列软件的统称。它是由 Alexander Stepanov、Meng Lee 和 David R Musser 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。

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/ISO 标准被投入使用。

1.1. C++的重要性

TIOBE排⾏榜是根据互联⽹上有经验的程序员、课程和第三⽅⼚商的数量，并使⽤搜索引擎（如 Google、Bing、Yahoo!）以及Wikipedia、Amazon、YouTube和Baidu（百度）统计出排名数据，只是反映某个编程语⾔的热⻔程度，并不能说明⼀⻔编程语⾔好不好，或者⼀⻔语⾔所编写的代码数量多少。

2. 第一个C++程序

C++兼容C语⾔绝⼤多数的语法，所以C语⾔实现的helloworld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。其他平台也有相关的C++编译器，⽐如linux下是g++。

C++有一套自己的输入输出。

复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "Hello World" << endl; 
    return 0; 
}

这⾥的 std cout 等我们都看不懂，没关系，下⾯我们会依次讲解。

3. 命名空间

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，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。

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;
}

3.2 namespace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。
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。
C++ 标准库都放在一个叫 std (standard) 的命名空间中。

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

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

3.2.1 命名空间的嵌套

cpp 复制代码

//2. 命名空间的嵌套
namespace space
{
	namespace ping
	{
		int rand = 1;
		int add(int x, int y)
		{
			return x + y;
		}
	}
	namespace pa
	{
		int rand = 2;
		int add(int x, int y)
		{
			return (x + y) * 10;
		}
	}
}

int main()
{
	printf("%d\n", space::ping::rand);

	printf("%d\n", space::pa::rand);

	return 0;
}

3.3 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。

3.3.1 using展开命名空间

我们想对于命名空间进行展开，我们就可以使用using来展开。

3.3.1.1 using部分展开

cpp 复制代码

//3.using展开命名空间中对部分
namespace space
{
	int a = 1;
	int b = 2;
}

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

3.3.1.2 using全部展开

cpp 复制代码

//4. using 全部展开
namespace space
{
	int a = 1;
	int b = 2;
}

int main()
{
	using namespace space;
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}

4. C++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 是操纵符，底层实现是一个函数，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，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。
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，所以这里我们只能简单认识一下 C++ IO 流的用法，后面我们会有专门的一个章节来细节 IO 流库。
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，在包含<iostream>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。

5. 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。

cpp 复制代码

void Func(int a = 10)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	Func();//没有传参是使用默认值
	Func(5);//传参后使用实参
	return 0;
}

5.1 全缺省

cpp 复制代码

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

int main()
{
	Func();//没有传参是使用默认值
	Func(5, 6, 7);//传参后使用实参
	return 0;
}

5.2 半缺省

cpp 复制代码

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

int main()
{
	Func();//没有传参是使用默认值
	Func(5);//只传部分参数，其余的使用默认参数
	Func(5, 6);
	Func(5, 6, 7);
	return 0;
}

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。

cpp 复制代码

// 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. 参数结构顺序不同
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;
}

7. 引用

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"⿊旋⻛"；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>，这⾥引⽤也和取地址使⽤了同⼀个符号&，⼤家注意使⽤⽅法⻆度区分就可以。

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 0;
	int& b = a;
	int& c = a;
	//值
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
	//地址
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;
	return 0;
}

7.1 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

int main()
{
	int a = 10;
	//编译报错：ra必须初始化
	//int& ra;
	int& b = a;

	int c = 20;
	b = c;       //c++引用不能改变指向，这是一个赋值操作

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

7.2 引用的使用

引用在实践中主要是于引用传参和传引用返回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。
传值返回会产生临时对象作为函数调用表达式的返回值，传引用返回本质是返回返回对象的引用 (别名)，从而提高了效率，同时可以改变返回对象。（不是所有场景都可以传引用返回，如果是一个返回值是当前函数的局部对象，传引用返回是有风险的，这个我们后面类和对象再深入讲解）
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。

7.3 consti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 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。

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;
}

7.4 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。

8. 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。
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。

并非inline这种方式不要创建栈帧，我们就都可以使用inline的方式来调用函数。

cpp 复制代码

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;
}

9.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。

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);

	// 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;
}

10. GitHub

完整代码已经上传GitHub，欢迎Star

https://github.com/PeterYuanCoder/cpp-learning.git