【c++】入门-优快云博客

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C++是在C的基础之上，容纳进去了面向对象编程思想，并增加了许多有用的库，以及编程范式等。熟悉C语言之后，对C++学习有一定的帮助，本章节主要目标： 1. 补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的，比如：作用域方面、IO方面、函数方面、指针方面、宏方面等。 2. 为后续类和对象学习打基础。

1.c++关键字
C++总计63个关键字，C语言32个关键字 ps：下面我们只是看一下C++有多少关键字，不对关键字进行具体的讲解。后面我们学到以后再细讲。

2.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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int rand = 10;
//stdlib.h内也有一个rand函数
// C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决
int main()
{
 printf("%d\n", rand);
return 0;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

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。

（1）.命名空间中可以定义变量/函数/类型

// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”
// lisi是命名空间的名字，
//  正常的命名空间定义
namespace lisi
{
	// 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;
	}
}

（2）.命名空间可以嵌套

// test.cpp
namespace N1
{
int a;
int b;
int Add(int left, int right)
 {
     return left + right;
 }
namespace N2
 {
     int c;
     int d;
     int Sub(int left, int right)
     {
         return left - right;
     }
 }
}

（ 3）.同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间,编译器最后会合成同一个命名空间中。
ps：一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个

// test.h
namespace N1
{
int Mul(int left, int right)
 {
     return left * right;
 }
}

注意：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中的所有内容都局限于该命名空间中

命名空间的使用有三种方式：
加命名空间名称及作用域限定符

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

使用using将命名空间中某个成员引入

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

使用using namespace 命名空间名称引入

using namespce N;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

3.c++输入和输出
我们来用c++来输出一个hello word

#include<iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;
int main()
{
cout<<"Hello world!!!"<<endl;
return 0;
}

说明：

1. 使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。
2. cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出，他们都包含在包含< iostream >头文件中。
3. <<是流插入符号 >>是流提取运算符。
4. 使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格式。 C++的输入输出可以自动识别变量类型。
5. 实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识，这些知识我们我们后续才会学习，所以我们这里只是简单学习他们的使用。
后面我们还会更深入的学习IO流用法及原理。

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc 6.0)中还支持格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用+std的方式。

std命名空间的使用惯例：
std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？

1. 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。
2. using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

4.缺省函数
缺省参数概念：
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

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;
}

缺省参数分类：
全缺省参数

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

（1）. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给
（2）. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，会出现编译器无法识别的情况。
（3）. 缺省值必须是常量或者全局变量
（4）. C语言不支持（编译器不支持）

5.函数重载

函数重载概念：
是函数的一种特殊情况，C++允许在同一作用域中声明几个功能类似的同名函数，这些同名函数的形参列表(参数个数或类型或类型顺序)不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling)
为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？
在C/C++中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。

预处理阶段：展开头文件，进行宏替换，条件编译，去注释。

编译阶段：通过一系列构建的方式检查语法，生成汇编代码。
汇编阶段：汇编器会将编译器生成的汇编代码转化成机器码。

链接阶段：链接器会将各个目标文件合并链接成一个可执行文件，包括静态链接和动态链接两种方式。

1. 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。那么怎么办呢？
2. 所以链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起。
3. 那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。
4. 由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。 5. 通过下面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度 +函数名+类型首字母】。

C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载

如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办法区分。

6.引用

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体

void TestRef()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

引用特性：

1. 引用在定义时必须初始化
2. 一个变量可以有多个引用
3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体：引用定义后，不能改变指向

对指针使用比较复杂的场景，进行替换，让代码更简单易懂，但不能完全代替

使用场景：
（1）. 做参数（a,，输出型参数 b，对象较大，减少拷贝，提高效率）指针也可以，但是引用更方便

void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

（2）. 做返回值
引用返回：空间别名

int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}

下面代码输出什么结果？为什么？

int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
    //c的别名
}
int main()
{
    //c的别名
    int& ret = Add(1, 2);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}

结果是随机值：
首先我们知道函数在创建的时候会创建栈帧，c是在Add函数的栈帧里面，栈帧销毁c也根着一起销毁了，所以编译器中间会产生以一个临时变量，如果这个变量较小那么通常会存放在寄存器里。传值返回意味着返回他的拷贝，传引用返回意味着在这个函数栈帧销毁后，返回Add的别名，但是栈帧已经销毁了，意味着我们还是在访问这块空间，但是这块空间以及还给系统了，所以充满了不确定性，而且ret还是c的别名的别名，这意味着ret就发生了野引用，这是一件非常可怕的事情

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，则可以使用引用返回，如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

（3）传值、传引用效率比较：

以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

（4 ）常引用：

int main()
{
   int a = 10;
   //权限的缩小
   const int &c = a;

   //权限的缩小
   const int x = 10;
   //报错
   int& y = x;

   //常量
   const int& z = 10;
   //a+x表达式返回值是一个临时变量（对象），临时变量（对象）具有常性
   const int& m = a + x;
   //权限的放大
   int& n = a + x;

   return 0;
}

（5）引用和指针的区别：

在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间，不开空间，指针是地址需要开空间
引用必须初始化，指针没有要求
引用不能改变指向，引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体
引用相对安全没有NULL引用，但有NULL指针，容易出现野指针，不容易出现野引用
在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)
引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小

在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。
汇编层面来看，没有引用都是指针，引用汇编后也转换成指针

7.内联函数
概念：
以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。
特性：

inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。

inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。链接属性只在当前文件可见

// 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()
{
 f(10);
 return 0;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl 
f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

由于lnline和宏有相似处，所以我们下面来看看宏的优缺点

宏的优缺点？
优点：

1.增强代码的复用性。
2.提高性能。

缺点：

1.不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
2.导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
3.没有类型安全的检查。

C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义换用const enum
2. 短小函数定义换用内联函数

8.auto关键字（c++11）
类型别名思考:
随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：
1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错

typedef char* pstring;
int main()
{
 const pstring p1;    // 编译成功还是失败？
 const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？
 return 0;
}

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

auto简介：
在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？
C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

int TestAuto()
{
return 10;
}
int main()
{
int a = 10;
auto b = a;
auto c = 'a';
auto d = TestAuto();
cout << typeid(b).name() << endl;
cout << typeid(c).name() << endl;
cout << typeid(d).name() << endl;
//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
return 0;
}

【注意】 使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto 的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

auto的使用细则:

1. auto与指针和引用结合起来使用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&
2. 在同一行定义多个变量当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

auto不能推导的场景:

1. auto不能作为函数的参数
2. auto不能直接用来声明数组
3. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有 lambda表达式等进行配合使用。

9. 基于范围的for循环(C++11)
范围for的语法:
在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
     array[i] *= 2;
for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
     cout << *p << endl;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for(auto& e : array)
     e *= 2;
for(auto e : array)
     cout << e << " ";
return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

范围for的使用条件
for循环迭代的范围必须是确定的对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供 begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围
注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定
void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}
迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

10. 指针空值nullptr(C++11)
C++98中的指针空值：
在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
int* p1 = NULL;
int* p2 = 0;
// ……
}

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：

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

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者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，比如：

void f(int)
{
 cout<<"f(int)"<<endl;
}
void f(int*)
{
 cout<<"f(int*)"<<endl;
}
int main()
{
 f(0);
 f(NULL);
 f((int*)NULL);
 return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意：

1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

【c++】 入门

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