【C++详解】入门C++

C++入门(保姆级教程) c++入门看这一篇就够了 阅读详情

📖 前言:新学期新气象,恭喜你一路过五关斩六将来到这里,C++是一门经久不衰的语言,上可游戏开发,下可操作系统开发。就连与人工智能连接紧密的python背后的深度学习核心的算法还是C++写的。作为一名老牌语言的常青树,C++一直霸占编程语言前5名。当然它也是难以驾驭的,因此, 你,准备好了吗?
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🕒 1. 什么是C++

C语言是结构化和模块化的语言,适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题,规模较大的程序,需要高度的抽象和建模时,C语言则不合适。为了解决软件危机, 20世纪80年代, 计算机界提出了OOP(objectoriented programming:面向对象)思想,支持面向对象的程序设计语言应运而生。
1982年,Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念,发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系,命名为C++。因此:C++是基于C语言而产生的,它既可以进行C语言的过程化程序设计,又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计,还可以进行面向对象的程序设计

🕒 2. C++的排名

下图数据来自 TIOBE编程语言社区 2022年9月最新的排行榜,在30多年的发展中,C/C++几乎一致稳居前5。
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注意:排名不能说明那个语言好,那个不好,每门编程语言都有适应自己的应用场景。

🕒 3. C++关键字(C++98)

 asm   do   if   return   try   continue   auto   double   inline   short   typedef   for   bool   dynamic_cast   int   signed   typeid   public   break   else   long   sizeof   typename   throw   case   enum   mutable   static   union   wchar_t   catch   explicit   namespace   static_cast   unsigned   default   char   export   new   struct   using   friend   class   extern   operator   switch   virtual   register   const   false   private   template   void   true   const_cast   float   protected   this   volatile   while   delete   goto   reinterpret_cast  \begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline \text { asm } & \text { do } & \text { if } & \text { return } & \text { try } & \text { continue } \\ \hline \text { auto } & \text { double } & \text { inline } & \text { short } & \text { typedef } & \text { for } \\ \hline \text { bool } & \text { dynamic\_cast } & \text { int } & \text { signed } & \text { typeid } & \text { public } \\ \hline \text { break } & \text { else } & \text { long } & \text { sizeof } & \text { typename } & \text { throw } \\ \hline \text { case } & \text { enum } & \text { mutable } & \text { static } & \text { union } & \text { wchar\_t } \\ \hline \text { catch } & \text { explicit } & \text { namespace } & \text { static\_cast } & \text { unsigned } & \text { default } \\ \hline \text { char } & \text { export } & \text { new } & \text { struct } & \text { using } & \text { friend } \\ \hline \text { class } & \text { extern } & \text { operator } & \text { switch } & \text { virtual } & \text { register } \\ \hline \text { const } & \text { false } & \text { private } & \text { template } & \text { void } & \text { true } \\ \hline \text { const\_cast } & \text { float } & \text { protected } & \text { this } & \text { volatile } & \text { while } \\ \hline \text { delete } & \text { goto } & \text { reinterpret\_cast } & & & \\ \hline \end{array}  asm  auto  bool  break  case  catch  char  class  const  const_cast  delete ​ do  double  dynamic_cast  else  enum  explicit  export  extern  false  float  goto ​ if  inline  int  long  mutable  namespace  new  operator  private  protected  reinterpret_cast ​ return  short  signed  sizeof  static  static_cast  struct  switch  template  this ​ try  typedef  typeid  typename  union  unsigned  using  virtual  void  volatile ​ continue  for  public  throw  wchar_t  default  friend  register  true  while ​​

🕒 4. 命名空间

#include <iostream>
using namespace std;

以上代码相信大家都有所耳闻,知道写C++不管三七二十一先写上去,但你知道第二行代码是什么意思吗?

这就和命名空间有关系了

在C/C++中,变量、函数和类都是大量存在的,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。

在C语言中我们知道,如果程序中包含某一头文件,那么我们就不能定义与其同名的全局变量,否则就会报错,比如下面这个例子。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int strlen = 10;

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

在这里插入图片描述
但是C语言头文件中的库函数是非常多的,我们在编写大型项目的时候就难免可能会定义与库函数同名的变量,从而造成命名冲突;为了解决这个问题,C++引入了命名空间的概念。

🕘 4.1 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**跟着一对{}**即可,{}中即为命名空间的成员。

🕤 4.1.1 正常的命名空间定义

namespace ST	//ST是自定义的
{
   int a = 10;
   int b = 20;

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

🕤 4.1.2 嵌套定义

namespace ST
{
	int a = 10;
	int b = 20;
    namespace S		//找的时候需要ST::S::x = 1;
    {
	 int x = 10;
	 int y = 20;

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

🕤 4.1.3 同名命名空间合并

namespace ST
{
	int a = 10;
	int b = 20;

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

namespace ST
{
	int x = 10;
	int y = 20;
}

注:一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个ST会被合并成一个

🕘 4.2 命名空间的使用

直接使用是会报错的,例如

#include <stdio.h>
namespace ST
{
	int a = 10;
}

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

命名空间的使用有三种方式:

🕤 4.2.1 加命名空间名称及作用域限定符

如命名空间名::成员名

int main()
{
    printf("%d\n", ST::a);	//在ST这个空间里找a
    return 0;  
}

🕤 4.2.2 使用using将命名空间中某个成员引入

using ST::b;		//将ST这个空间里面的b成员释放,这样就不用加::了
int main()
{
    printf("%d\n", ST::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;  
}

🕤 4.2.3 全局展开

using namespce ST;	//将ST里面的全部成员释放,加上::与否都可
int main()
{
    printf("%d\n", ST::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;  
}

回到开头的问题

  • using namespace std;:此方式相当于把std这个命名空间域里所有成员展开到全局域中
    其中这个std就是C++官方的标准库,我们常用的 cout 和 endl 就在里面

  • 虽然方便日常的我们使用,但会使我们后续的命名可能会与标准库中的命名相冲突
    所以在规范的工程项目中是不推荐这种方式的

  • using std::+要调用的成员:此方式就是介于前两种之间,可以用于对常用的成员进行展开,这样后续再调用这些成员就更加方便,也更加规范了

举个例子
我们有一块草地,有两只羊、一只鸡和一头牛,某天我们引进了一只与原有一摸一样的羊,为了区分,我们把引进的那只羊圈养起来,就可以方便以后的处理。命名空间便是把变量、函数、类型等“圈养”起来,方便与其他域的变量、函数、类型等区分。访问的时候可以指定哪个“栅栏”访问,或者把栅栏拆了

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🕒 5. 输入&输出

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a;
    double b;
    char c;

    // 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;
}

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。(三种方法)
  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(即C语言的’\n’),他们都包含在包含头文件中。
  3. <<是流插入运算符,>>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。后面我们还有有一个章节更深入的学习IO流用法及原理。

关于cout和cin还有很多更复杂的用法,比如控制浮点数输出精度,控制整形输出进制格式等等。因为C++兼容C语言的用法,这些又用得不是很多,因此,当我们需要控制格式以及精度时,仍然可以利用printf等形式输出。哪个方便用哪个

🕒 6. 缺省参数

🕘 6.1 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  0
    Func(10);  // 传参时,使用指定的实参   10
    return 0;
}

🕘 6.2 缺省参数分类

  • 全缺省参数
void test1(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
  cout<<"a = "<<a<<endl;
  cout<<"b = "<<b<<endl;
  cout<<"c = "<<c<<endl;
}
  • 半缺省参数
void test2(int a, int b = 20, int c = 30)
{
  cout<<"a = "<<a<<endl;
  cout<<"b = "<<b<<endl;
  cout<<"c = "<<c<<endl;
}

注意:

  1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出,不能间隔着给
//错误示范
void test3(int a = 10, int b, int c = 20)
{
  cout<<"a = "<<a<<endl;
  cout<<"b = "<<b<<endl;
  cout<<"c = "<<c<<endl;
}
  1. 缺省参数不能在函数声明和定义的同时出现,因为一旦缺省的数量和值不同,就会造成歧义,引发错误。在声明中给
//a.h
 void Func(int a = 10);
 // a.cpp
 void Func(int a = 20)
{}
 // 注意:如果声明与定义位置同时出现,恰巧两个位置提供的值不同,那编译器就无法确定到底该用哪个缺省值。
  1. 缺省值必须是常量或者全局变量
  2. C语言不支持(编译器不支持)缺省
int main()
{
	test1();	// 输出 a = 10 b = 20 c = 30
	test1(100, 200);//此时只存在形参c缺省,不能让形参b为缺省参数	// 输出 a = 100 b = 200 c = 30

	test2();//形参a并不是缺省参数,语法错误
	test2(10, ,20);//语法错误,必须依次传
	test2(100);//给定形参a的值,形参b和c缺省		// 输出 a = 100 b = 20 c = 30

	return 0;
}

🕒 7. 函数重载

自然语言中,一个词可以有多重含义,人们可以通过上下文来判断该词真实的含义,即该词被重载了。比如:
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🕘 7.1 函数重载的概念

函数重载: 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。

  1. 参数类型不同
int Add(int a, int b)
{
	cout << "int Add(int a, int b)" << endl;
	return a + b;
}

int Add(int a, double b)
{
	cout << "int Add(int a, double b)" << endl;
	return a + b;
}

double Add(double a, double b)
{
	cout << "double Add(double a, double b)" << endl;
	return a + b;
}

对于参数类型,对于这个例子,我们看的不是返回值的类型,而是括号内部的参数类型,由于参数类型不同,我们传参时就可以依据调用时传参的类型来判断是哪个函数在调用。如果括号内部的参数类型相同而返回类型不同的话,我们仍然判断不了应该采用哪个函数,这不满足重载的要求。

  1. 参数个数不同
void f()
{
    cout << "f()" << endl;
}
void f(int a)
{
    cout << "f(int a)" << endl;
}

通过在调用时我们发现,如果不传入参数,调用的就是第一个函数,传入一个整形参数,调用的就是第二个。

  1. 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;
}

对于参数类型顺序来说,这种方式作为参数传入时会因顺序不同而调对应顺序的函数,在C语言中,char也属于整型变量,而在重载中就有了明显的区分。

下面观察下演示例子

int main()
{
    Add(10, 20);
    Add(10.1, 20.2);
    f();
    f(10);
    f(10, 'a');
    f('a', 10);
    return 0;
}

在这里插入图片描述

🕘 7.2 函数重载的使用

//交换整型数据
void Swap(int* p1, int* p2)
{
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}
//交换字符数据
void Swap(char* p1, char* p2)
{
	char tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}
//交换浮点型数据
void Swap(double* p1, double* p2)
{
	double tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap(&a, &b);

	char x = 'w', y = 'v';
	Swap(&x, &y);

	double n = 1.123, m = 2.345;
	Swap(&n, &m);
	return 0;
}

🕘 7.3 函数重载和缺省参数混用

//构成函数重载 -- f()调用会报错,存在歧义
void f()
{
	cout << "f()" << endl;
}

void f(int a = 0, char b = 1)
{
	cout << "f(int a,char b)" << endl;
}

int main()
{
	f(10);
	f(10, 20);

	f(); // 歧义  二义性

	return 0;
}

对于重载和缺省参数混用的时候,缺省参数的引用一样构成重载,但需要注意的是,当按照缺省参数的思想不传入值时,虽然对于缺省满足条件,但同时也对另一个重载函数满足条件,这样无法区分调用的是哪一个函数,因此同时混用时需要注意其中之间的冲突,也被称为二义性。
对于下面的引用也是如此。

🕘 7.4 为什么C++支持函数重载,C语言没有?

我们在学习C语言的🔎 程序环境和预处理时知道,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。
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  • 我们调用函数,在汇编阶段本质是通过指令call实现的汇编指令的地址
  • 而对于函数是声明和定义分开在不同的文件时,并不会一开始就找到函数实现的汇编指令的地址,而是因为有了函数声明,在编译阶段就让这个指令暂时通过(即地址处暂时空出),此时编译器会认为函数定义在其它地方,后续链接时再找函数定义的地址。
  • 链接阶段:拿着函数名去找其函数实现的汇编指令的地址,具体是在其它文件的符号表中搜索地址。只要找到就放入地址,找不到就相当于链接失败。

C语言中不支持函数重载,是因为C语言中函数实现的汇编指令的地址是根据函数名称去匹配的,面对同名函数编译器链接的时候无法区分,所以链接失败。

而C++支持函数重载,是因为函数名经过了函数名修饰规则【即现在的函数名不是直接拿原函数名作为名字,而是通过_Z+原函数名的长度+原函数名+函数参数的类型的首字母的规则进行修饰,这也就为什么构成重载函数的三个要求都与函数参数有关】,这样就可以同名函数从而链接到地址

  • 采用C语言编译器编译后结果
    在这里插入图片描述
  • 采用C++编译器编译后结果
    在这里插入图片描述

小结: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,因为调用时不指定返回值类型,编译器没办法区分。

🕒 8. 引用

🕘 8.1 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。

比如:李逵,在家称为 “铁牛” ,江湖上人称 “黑旋风” 。

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;	//引用
	int* p = &a;	//取地址

	return 0;
}

注意:和指针一样,引用类型必须和引用实体是同种类型的

总结:

  1. 引用是对已存在的变量取别名
  2. 引用不占用内存空间
  3. 引用类型要与实体类型统一

🕘 8.2 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
void TestRef()
{
    int a = 10;
    // int& ra;  // 该条语句编译时会出错
    int& ra = a;
    int& rra = a;
    printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra); 
}

🕘 8.3 常引用

常引用就是在引用类型前面用 const 来进行修饰;和 const 修饰变量一样,被 cosnt 修饰的引用只能够读,而不能够写,即不能修改引用变量的值;

🕤 8.3.1 常规引用

指针和引用赋值中,权限可以缩小,但是不能放大
就像你新买了一部IPhone14,自己小心翼翼的轻拿轻放,如果别人只是看,那么就是权限的缩小;如果别人一把夺走还摔了,就是权限的放大,是不行的。

void TestConst()
{
	int a = 10;		//a的权限:读写
	int& ra = a;	//ra的权限:读写
	const int& rra = a;		//rra的权限:读

	const int b = 20;	//b的权限:读
	int& rb = b;	//rb的权限:读写,权限扩大,报错
	const int& rrb = b;	//rrb的权限:读
}

🕤 8.3.2 对常量的引用

void TestConstRef()
{
	int& ra = 10;		// error:无法从“int”转换为“int &”
	const int& rra = 10;	// 正确方式
}

在C语言的学习中,我们知道可以用一个变量的地址对指针进行初始化,也可以直接赋给指针一个地址;那么对于引用来说,出来对变量进行引用,我们是否也可以对常量进行引用呢?答案是:可以,只是有一些限制条件。

对上面的代码进行分析:我们知道,数字10只存在于指令中,在内存中并不占用空间,所以当我们引用对其进行引用时,10会先赋给一个临时变量,我们对这个临时变量进行引用;而临时变量具有常性,即临时变量是只读的,所以我们需要用常引用来引用这个临时变量。

🕤 8.3.3 对不同类型的变量进行引用

void TestConstRef()
{
	double b = 13.14;
	int& rb = b;		// error:无法从“double”转换为“int &”
	const int& rrb = b;	// 正确方式
}

和对常量进行引用类似,当我们的引用类型和变量类型不同时,该变量会先被赋值给一个与引用同类型的临时变量;在上面的例子中,由于引用类型是 int&,而变量类型是 double,二者不相同,所以对 b 进行引用时,b 会被先转化为 int 类型,然后赋值给一个临时变量,然后我们对这个临时变量进行引用;后面的内容就和常引用相同了,由于临时变量具有常性,所以我们需要用 const 修饰 int&,防止权限扩大。

注:常引用以后会频繁出现在我们的函数参数中,非常重要。

🕘 8.4 使用场景

🕤 8.4.1 做参数

void swap(int& m, int& n)
{
	int tmp = m;
	m = n;
	n = tmp;
}

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	swap(a, b);
	cout << "a=" << a << " " << "b=" << b << endl;
	return 0;
}

还记得我们之前学数据结构的时候,书上的这句代码总是看不懂
在这里插入图片描述
其实这种写法是为了避免二级指针的复杂化
类似的问题还有如下
在这里插入图片描述
小结:引用做参数可以减少拷贝,提高效率;输出型参数,函数中修改形参实参也跟着修改了,不需要传指针来改变,除外,对于非输出型参数,一般引用做参数都是用const引用,比如打印数据。

void Func(const int& x)
{

}

int main()
{
	int a = 10;		//a的权限:读写
	int& ra = a;	//ra的权限:读写
	const int& rra = a;		//rra的权限:读

	const int b = 20;	//b的权限:读
	//int& rb = b;	//rb的权限:读写,权限扩大,报错
	const int& rrb = b;	//rrb的权限:读
	Func(a);
	Func(rrb);
	return 0;
}

🕤 8.4.2 做返回值

在这里插入图片描述
ps:内存空间销毁意味着什么?
①、空间还在,但使用权不是我们的,存的数据将不受保护。就像住酒店
②、还能访问,只是我们读写的数据都是不确定的

再观察以下代码

int& Count()
{
	int n = 0;
	cout << &n << endl;

	n++;
	// ...
	return n;
}

void Func()
{
	int x = 100;
	cout << &x << endl;
}

int main()
{
	int& ret = Count();
	cout << ret << endl;
	cout << ret << endl;

	Func();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
发现本来是n的位置被销毁后又被x占领了,这是为什么呢
这就需要回顾一下函数栈帧的知识。
因为栈是向下生长的,一旦n被回收,x就会跟上放在原来的位置,因此也观察到n和x地址相同。

结论:
如果函数返回时,出了函数作用域,如果返回对象还未还给系统,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。

🕘 8.5 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。

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}
void TestRefAndValue()
{
	A a;
	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1(a);
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数参数
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2(a);
	size_t end2 = clock();
	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

int main()
{
	TestRefAndValue();
}

在这里插入图片描述

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }
void TestReturnByRefOrValue()
{
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1();
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2();
	size_t end2 = clock();
	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
}

在这里插入图片描述
通过上述代码的比较,你会发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差是很大的。

🕘 8.6 引用和指针的区别

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。
底层实现上:引用实际是有空间的,因为引用是按照指针方式来实现的。

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

我们调试代码,然后转到反汇编后可以发现,引用和指针的汇编代码是完全一样的,即引用的底层实际上就是指针。
在这里插入图片描述
引用和指针的不同点:

  1. 引用概念上定义一个变量的别名,指针存储一个变量地址;
  2. 引用在定义时必须初始化,指针没有要求;
  3. 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;
  4. 没有NULL引用,但有NULL指针;
  5. 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);
  6. 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;
  7. 有多级指针,但是没有多级引用;
  8. 访问实体方式不同,指针需要显式解引用,引用编译器自己底层处理;
  9. 引用比指针使用起来相对更安全。

🕒 9. 内联函数

在写排序代码的时候我们发现,swap函数用的特别多,于是会独立封装一个函数,但是又会增加栈帧的开销,因此内联函数应运而生。
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。

在这里插入图片描述
如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数,在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

由于上面的概念提到,内联函数不建立栈帧,因此,在普通的debug环境下是没办法使用的,因为debug会进行调试,调试就会利用栈帧,因此需要进行一系列的设置或者直接将debug换成release环境。

以下是在debug环境下设置
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
我们发现,这里直接就是mov和add,并没有Add函数地址的声明,因此,内联函数就是将内部之间展开使用,而不是创建栈帧后生成符号表。

那么有同学会想到,C语言的宏函数#define好像也能实现类似功能。
确实如此,但缺点较多:首先是不能调试,其次没有类型安全检查,最后是容易写错(括号少了)。

🕘 9.1 特性

  1. 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。
  2. 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。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议:
    在这里插入图片描述

第二条特性中,为什么建议函数规模较小且不频繁调用的函数才用内联呢?
关于这个,整个第二条特性说的其实都是这个问题,比如像递归那样的函数,由于没有栈帧,其所有的执行情况都会在编译的时候展开使用,这样函数的规模就变得非常大,那么这个问题同样可以变成:为什么函数长了以后不展开呢?
最准确的回答是因为代码膨胀 ,由于内联函数是直接展开,如果调用次数过多或者函数展开过长,会给程序造成很大的开销,这反而远离了我们使用内联函数的初衷。

例子:假设内联函数有30条指令,如果有10000个调用的地方,用内联函数展开后有30×10000 = 30w行,如果不使用内联函数就是30+10000 = 10030行,且编译好的指令影响的是可执行程序的大小,也就是安装包(包括.exe和.dll等静态/动态库);
对于安装包来说,一定是越小越好(更新软件时间越快越好,内存越小越好)。可见,这种情况下,内联的效率远远低于直接调用原本的函数的栈帧的效率。

#include<iostream>

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

int main()
{
	int ret = func(10, 20);

	return 0;
}

在这里插入图片描述
可以看到没有call指令,代表内联函数生效

  1. 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。

其原因是因为,inline修饰的函数不会被写进符号表(即使编译器忽略了inline的特性),那么要调用此函数的另一目标文件就找不到此函数的地址。

【面试题】
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

注:我们在C语言中学习的 🔎 函数栈帧的创建和销毁 和 🔎 程序环境和预处理 这两节内容虽然很难,但是对于理解C/C++的底层逻辑非常重要,希望大家能多花一点时间来理解它们。

🕒 10. auto关键字(C++11)

🕘 10.1 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
#include <string>
#include <map>
int main()
{
    std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange",
    "橙子" },
    {"pear","梨"} };
    std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
    while (it != m.end())
    {
    //....
    }
    return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型,但是该类型太长了,特别容易写错。聪明的同学可能已经想到:可以通过typedef给类型取别名,比如:

#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
    Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };

    Map::iterator it = m.begin();
    while (it != m.end())
    {
        //....
    }
    return 0;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码,但是typedef有会遇到新的难题:

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;
}

在这个代码中,第二个是错误的,因为typedef不像define一样在预编译阶段进行文本替换,也就是说并不会在预编译阶段用char*去替换pstring,既然替换不了,那么肯定找不到pstring*,所以pstring*是错误的。

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。

🕘 10.2 auto简介

int TestAuto()
{
    return 10;
}

int main()
{
    int a = 10;
    auto b = a;
    auto c = 'a';
    auto d = TestAuto();
    cout << typeid(b).name() << endl;	//输出:int
    cout << typeid(c).name() << endl;	//输出:char
    cout << typeid(d).name() << endl;	//输出:int
    //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;
}

我们发现,auto定义能够自动识别变量的类型。

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。

🕘 10.3 auto的使用细则

  1. auto与指针和引用结合起来使用
    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&
int main()
{
	int x = 10;
	auto a = &x;
	auto* b = &x;
	auto& c = x;
	cout << typeid(a).name() << endl;	//输出:int *
	cout << typeid(b).name() << endl;	//输出:int *
	cout << typeid(c).name() << endl;	//输出:int
	*a = 20;
	*b = 30;
	c = 40;
	return 0;
}
  1. 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。
void TestAuto()
{
  auto a = 1, b = 2;
  auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败,因为c和d的初始化表达式类型不同
}

🕘 10.4 auto不能推导的场景

  1. auto不能作为函数的参数
// 此处代码编译失败,auto不能作为形参类型,因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}
  1. auto不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
  int a[] = {1,2,3};
  auto b[] = {4,5,6};
}
  1. 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
  2. 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。

🕒 11. 基于范围的for循环(C++11)

🕘 11.1 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,auto&中的&是必要的,通过上面我们知道&是取别名,即地址一样,可以通过修改e从而修改数组元素,如果没有&,e只是一个临时拷贝,改变e并不能改变数组。

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。

🕘 11.2 使用条件

  1. 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;
}

因为函数传数组,参数只能是指针,因此以指针为:后的条件是错误的。

  1. 迭代的对象要实现++和==的操作。 (由于水平有限,暂不做讨论)

🕒 12. 指针空值nullptr(C++11)

🕘 12.1 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  // 注意
#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。

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。

void f(int)
{
	cout << "f(int)" << endl;
}

void f(int*)
{
	cout << "f(int*)" << endl;
}

int main()
{
	f(0);		// 输出:int
	f(NULL);	// 输出:int
	f(nullptr);	// 输出:int*
	return 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。

OK,以上就是本期知识点“入门C++”的知识啦~~ ,感谢友友们的阅读。后续还会继续更新,欢迎持续关注哟📌~
💫如果有错误❌,欢迎批评指正呀👀~让我们一起相互进步🚀
🎉如果觉得收获满满,可以点点赞👍支持一下哟~

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