【C++】1·入门基础

1.第一个C++程序

//C
#include<stdio.h>
//C++
#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	printf("Hello World\n");      //C
	cout << "Hello World" << endl;//C++
	return 0;
}

在学习C语言的时候我们就见过此程序，而通过使用C++的语言实现后，发现多了很多看不懂的东西，在学习的初期，也会觉得C++很乱，很杂，很难，但随着对C++的熟悉，就会真正体会到什么叫C语言的升级版。

2.命名空间

2.1命名空间的意义

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(就如下图的rang)。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

加入了stdlib.h头文件后，rand与随机函数发生冲突，发生了报错

2.2namespace关键字

• 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。

//1.命名空间中可以定义变量/函数/类型 
namespace test01
{
	int rand = 10;

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

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

}

//2.命名空间可以嵌套
namespace subject
{
	namespace Math
	{
		int score = 59;
	}

	namespace Chinese
	{
		int score = 80;
	}

	namespace English
	{
		int score = 70;
	}
}

int main()
{
	printf("%d\n", subject::Math::score);
	printf("%d\n", subject::Chinese::score);
	printf("%d\n", subject::English::score);
	return 0;
}

• 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。

//Stack.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>

namespace test01
{
	typedef int STDataType;
	typedef struct Stack
	{
		STDataType* a;
		int top;
		int capacity;
	}ST;
	void STInit(ST* ps, int n);
	void STDestroy(ST* ps);
	void STPush(ST* ps, STDataType x);
	void STPop(ST* ps);
	STDataType STTop(ST* ps);
	int STSize(ST* ps);
	bool STEmpty(ST* ps);

}

//Stack.cpp
#include"Stack.h"
namespace test01
{
	void STInit(ST* ps, int n)
	{
		assert(ps);
		ps->a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
		ps->top = 0;
		ps->capacity = n;
	}

	void STPush(ST* ps, STDataType x)
	{
		assert(ps);
		// 满了， 扩容 
		if (ps->top == ps->capacity)
		{
			printf("扩容\n");
			int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity
				* 2;
			STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a,
				newcapacity * sizeof(STDataType));
			if (tmp == NULL)
			{
				perror("realloc fail");
				return;
			}
			ps->a = tmp;
			ps->capacity = newcapacity;
		}
		ps->a[ps->top] = x;
		ps->top++;
	}

	//……
}

//Queue.h
#pragma once
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
namespace test01
{
	typedef int QDataType;
	typedef struct QueueNode
	{
		int val;
		struct QueueNode* next;
	}QNode;
	typedef struct Queue
	{
		QNode* phead;
		QNode* ptail;
		int size;
	}Queue;
	void QueueInit(Queue* pq);
	void QueueDestroy(Queue* pq);
	// ⼊队列 
	void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
	// 出队列 
	void QueuePop(Queue* pq);
	QDataType QueueFront(Queue* pq);
	QDataType QueueBack(Queue* pq);
	bool QueueEmpty(Queue* pq);
	int QueueSize(Queue* pq);
}

//Queue.cpp
#include"Queue.h"
namespace test01
{
	void QueueInit(Queue* pq)
	{
		assert(pq);
		pq->phead = NULL;
		pq->ptail = NULL;
		pq->size = 0;
	}
	// ...
}

//test.cpp
#include"Queue.h"
#include"Stack.h"

// 全局定义了⼀份单独的Stack 
typedef struct Stack
{
	int a[10];
	int top;
}ST;

void STInit(ST* ps) {}
void STPush(ST* ps, int x) {}

int main()
{
	// 调⽤全局的 
	ST st1;
	STInit(&st1);
	STPush(&st1, 1);
	STPush(&st1, 2);
	printf("%d\n", sizeof(st1));

	// 调⽤test01 namespace的 
	test01::ST st2;
	printf("%d\n", sizeof(st2));
	test01::STInit(&st2,2);
	test01::STPush(&st2, 1);
	test01::STPush(&st2, 2);
	return 0;
}

• C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

就比如C++中的输入函数

int main()
{
	std::cout << "Hello World";
	return 0;
}

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，日常联系程序为了方便推荐使用

namespace test
{
	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);

    // 指定命名空间访问 
    printf("%d\n", test::a);

	return 0;
}

namespace test
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

// using将命名空间中某个成员展开 
using test::b;
int main()
{
	printf("%d\n", test::a);
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}

namespace test
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

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

3.输入与输出

<iostream>头文件是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。

因为目前处于初期的学习阶段，所以达到会使用的效果就可以。

3.1输出cout

std::cout是<iostream>类的对象，它主要⾯向窄字符的标准输出流。

相比于printf函数，cout可以自动识别类型

要想用cout打印数据，则需要“<<”流插入运算符，把想打印的数据放到<<后面即可，也可以通过<<连接数据的打印

3.2输入cin

std::cin是iostream类的对象，它主要面向窄字符的标准输入流。

相比于scanf函数，cin也可以自动识别类型

运用cin提取元素则需要>>是流提取运算符，同时也可通过多个>>同时输入多个数据

3.3换行endl

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。把他等同于一个“\n”就行。

3.4补充

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。

4.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。

// Stack.h
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;
void STInit(ST* ps, int n = 4);

// Stack.cpp
#include"Stack.h"
void STInit(ST* ps, int n)
{
	assert(ps && n > 0);
	ps->a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
	ps->top = 0;
	ps->capacity = n;
}

//test.cpp
#include"Stack.h"
int main()
{
	ST s1;
	STInit(&s1);
	// 确定知道要插⼊1000个数据，初始化时⼀把开好，避免扩容 
	ST s2;
	STInit(&s2, 1000);
	return 0;
}

5.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。

// 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 
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;
}

// 下⾯两个函数构成重载 
// f()但是调⽤时，会报错，存在歧义，编译器不知道调⽤谁 
void f1()
{
	cout << "f()" << endl;
}
void f1(int a = 10)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}

int main()
{
	f1();
	return 0;
}

6.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：林冲，外号豹子头；

引用可以对标C语言的指针

类型 & 引用别名 = 引用对象;

引用就是在原先地址上另起一个名字。

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

我们可以通过别名修改变量的值

也可以别名起别名

思考一下，以下代码是改变别名 c 的地址还是值。

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;
	int& c = b;

	int x = 20;
	c = x;

	return 0;
}

引用不会改变指向，所以这里把x赋值修改c

6.3引用的使用

功能1：做函数形参，修改形参影响实参

在原来C语言学习中学到了交换函数，由于传值调用并不会影响x，y的值，所以我们就需要把x，y的地址复制过来。

void swap(int* p1, int* p2)
{
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	swap(&x, &y);
	return 0;
}

在学习引用后，交换函数就可以写成：

void swap(int& p1, int& p2)
{
	int tmp = p1;
	p1 = p2;
	p2 = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	swap(x, y);
	return 0;
}

此时调用后的p1、p2的地址就是x、y的地址，修改p1，p2就是修改下x，y。

---

功能2：做函数形参，减少拷贝，提高效率

因为结构体所需要的空间很大，所以这里采用的是一种传址

原C语言写法：

struct A
{
	int a[100]; 
	int b;
};

void func(struct A* aa)
{

}

int main()
{
	struct A a;
	func(&a);
	return 0;
}

运用引用的写法：

struct A
{
	int a[100]; 
	int b;
};

void func(struct A& aa)
{

}

int main()
{
	struct A a;
	func(a);
	return 0;
}

---

接下来我们利用swap函数交换地址，用C语言很容易写出，通过二级指针就可以解决了：

void swap(int** pp1, int** pp2)
{
	int* tmp = *pp1;
	*pp1 = *pp2;
	*pp2 = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	int* px = &x,*py = &y;
	cout << px << endl;
	cout << py << endl;
	swap(&px, &py);
	cout << px << endl;
	cout << py << endl;
	return 0;
}

那么通过前面的学习，可不可以通过引用简化代码？

首先要了解到怎么给指针取别名，通过 类型 & 引用别名 = 引用对象;指针的类型是 int*，那么就可以写成：

int * px  =  x ;

int*& rpx = px;

那么swap函数就可以改编成：

void swap(int*& p1, int*& p2)
{
	int* tmp = p1;
	p1 = p2;
	p2 = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	int* px = &x,*py = &y;
	cout << px << endl;
	cout << py << endl;
	swap(px, py);
	cout << px << endl;
	cout << py << endl;
	return 0;
}

目前看来，引用就是代替了指针的用法，其实写出来的代码更加便捷。

---

功能3：引用做返回类型，修改返回对象，提高效率

首先准备一下链表的工具方便演示

typedef struct SeqList
{
	int* a;
	int size;
	int capacity;
}SL;

void SLTInit(SL& sl, int n = 4)
{
	sl.a = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
	//……
	sl.capacity = n;
	sl.size = 0;
}

void SLPushBack(SL& sl, int x)
{
	//……
	sl.a[sl.size] = x;
	sl.size++;
}

想在想要通过SLAt函数来获得某一个位置的数据（如下），并在获得后进行+=1，猜猜会发生什么。

//传值返回
int SLAt(SL* sl, int i)
{
	assert(i < sl.size);
	return sl.a[i];
}//拷贝临时变量 具有常性

int main()
{
	SL s;
	SLTInit(s);
	SLPushBack(s, 1);
	SLPushBack(s, 2);
	SLPushBack(s, 3);
	SLPushBack(s, 4);

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		SLAt(&s, i) += 1;
	}

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		cout << SLAt(&s, i) << endl;;
	}

	return 0;
}

报错的原因是利用传值返回时，会创建一个临时变量，而临时对象具有常性，也就是编译创建的不可修改，

所以要想返回的参数可以直接修改，此时就可以利用到引用：

//传引用返回
int& SLAt(SL& sl, int i)
{
	assert(i < sl.size);
	return sl.a[i];
}//引用int&tmp

当传引用返回时，引用了int& tmp =  sl.a[i],此时传回来的参数便可进行修改。

那么为了方便，所有的函数都用传引用返回是不是也行？思考下面的代码是否可行

int& func()
{
	int ret = 0;
	return ret;
}

int main()
{
	int x = func();
	cout << x << endl;
	return 0;
}

这里要注意的是，与SLAt函数不同，SLAt返回的sl.a[i]不会进行销毁，而ret是局部对象，func结束后，ret就销毁了，返回他的别名本质是一种类似于野指针的做法，这么做是不安全的。

所以打印出来的值也应该是随机数，但每个编译器的结构不同，在vs里还是保留了ret的值

6.4const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 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。

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 
	
	// 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩ 
	int b = 20;
	const int& rb = b;
	//rb++;
	// 编译报错：error C3892: “rb”: 不能给常量赋值 
	return 0;
}

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;
}

6.5指针和引用的关系

C++中指针和引用就像两个亲兄弟，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。

7.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。

#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;
int ret1 = ADD(1, 2);//int ret1 = 1+2;;//含有两分号，例如程序是if(ADD(1,2))时就会出现报错

//#define ADD(a, b) (a + b)
int x = 1, y = 2;
int ret2 = ADD(x | y, x & y);//int ret2 = (x|y+x&y);

// 正确的宏实现 
#define ADD(a, b) ((a) + (b))

//宏函数
//复杂/类型安全检查/不能调试
//优点：预处理阶段替换，不用建立栈帧，本质是一种提效。

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;
}

可以发现宏虽可提效，但是在编写的时候很容易写错，所以c++创造了inline

#include<iostream>
using namespace std;

inline int Add(int x, int y)
{
	int ret = x + y;
	return ret;
}

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

8.nullptr

NULL实际上是一个宏，在传统在传统的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

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。

在下方代码中可以发现，f(NULL)调用的是int x的函数。

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。