C++入门(lesson2)

目录

一、引用🐅

1.1 引用概念🐱

1.2 引用特性🐱

1.3引用的使用🐱

①做参数😀

②做返回值😀

1.4Const引用和临时变量🐱

①引用权限的放大和缩小😀

②临时变量的讲解😀

1.5 传值、传引用效率的比较🐱

1.6 引用和指针的区别🐱

 二、内联函数🐅

2.1概念🐱

2.2内联函数在编译器的表现🐱

2.3特性🐱

三、auto关键字🐅

3.1类型别名思考🐱

3.2auto简介🐱

3.3 auto的使用细则🐱

①.auto与指针和引用结合起来使用😀

②.在同一行定义多个变量😀

3.4 auto不能推导的场景🐱

①auto不能作为函数的参数😀

②auto不能直接用来声明数组😀

四、基于范围的for循环🐅

4.1范围for的语法🐱

4.2范围for的使用条件🐱

①.for循环迭代的范围必须是确定的😀

五、指针空值nullptr(C++11)🐅

5.1 C++98中的指针空(NULL)🐱

5.2 空值指针nullptr🐱

一、引用🐅

1.1 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(理论上，实际并非如此，后面细说)，它和它引用的变量共用同一块内存空间。

引用，就好像给一个人取了个外号，就像古代的人有名和字，都是指代他这个人。

引用的使用： 类型& 引用变量名(对象名)=引用实体。

 引用就是如此，它们指代的都是同一块空间，所以地址肯定是相同的。

不过需要注意的是：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

1.2 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。(一个人可以有很多的外号)

3、引用只能指向一个空间，不能改为其他空间。

4、引用没有开辟空间，如果对它赋值，是改变了引用指向空间的内容。

5、不能利用引用去做链表，因为引用不能更改指向，在C++中，引用还没完全取代指针，而Java是可以脱离指针的。

1.3引用的使用🐱

①做参数😀

在C语言阶段我们要交换两个数的值，常常需要传他们的地址，通过地址来改变他们的值，在提出引用之后，我们不需要传地址了。

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

同样的，通过使用引用，我们有些地方可以没必要使用二级指针，从而使代码简化。

void SListPushBack(Node**pphead,int x)
void SListPushBack(Node*&pphead,int x)//这种方式

②做返回值😀

int& Count1()
{
	int n = 0;
	n++;
	return n;//引用返回
}
//传值返回
int& Count2()
{
	static int n = 0;
	n++;
	return n;//传值返回
}

Count1和Count2函数不同的区别：

在于Count1中n是局部变量，在栈上开辟的，而Count2中n是在静态区开辟的，不会随着函数的结束而销毁。

我们再来看一下它们被调用后可以观察到什么

 这样的结果是意料之内的，因为Count1中的n随着函数结束而销毁，也就是它的空间不归我们使用，归还给了操作系统，我们可以通过引用找到那个空间，但是它可能已经被操作系统使用而值发生了变化，所以我们读写的数据是不确定的。所以在这里我们要注意，当使用引用做返回值的时候，返回的数不能在栈区，不能是局部变量，它可以在静态区或者堆。

在这里，我们可以再深入一点，看一下传值返回和传引用返回有什么不一样。

 Count1返回的是引用，我们惊奇地发现，用int和int&接受它们的值也是不一样的，这似乎超乎我们的意料，不过如果我们知道函数的栈帧，再一分析就很好理解了。

为什么出现不一样的结果？

因为函数结束也就是栈帧销毁，会生成一个临时变量，如果临时变量比较小，就会存放再寄存器中，如果比较大，比如结构体，就会开辟一块空间，因为不可能直接传，因为空间已经被释放还给操作系统了。

所以这里ret接受的是n的拷贝，那么还有一个问题，int&类型的ret接受的是不是拷贝呢？其实也是拷贝，那为什么，它能找到那个空间呢？因为这里，最本质上是传了地址！如果诸位不相信，我们可以在编译器内部看一下引用和指针。

 我们惊奇的发现真的好相似，所以引用在底层上实际也是指针实现的！

1.4Const引用和临时变量🐱

①引用权限的放大和缩小😀

权限的放大：

 我们来看这段代码，为什么int& rb=b会出错呢？

这就是典型的引用的权限的放大，这里rb引用b的别名，b已经被const限制，而rb不被限制，rb是b的别名，rb可修改而b不可修改是不是不合理？

反之，如果合理，那么我给rb赋值，那么rb所指向的空间的内容被修改，而这个空间就是b，但是b被const限制，不能修改，是不是就起冲突了？

权限的缩小 

 我们再来看一下这段代码，这段代码中，被const限制的rra不能被修改，但是它可以引用a，只不过权限受限，而a不受限制。

启示：

1、指针和引用赋值中，权限可以平移，可以缩小，但是不能放大！类似于上级给你权力，它可以给你和他相同的，或者小于他的，但是不能高于他，这是一样的道理。

2、权限的放大和缩小，仅限于指针和引用，因为这两种都会影响到原来的数据。

3、如果不更改原来的数据，一般引用或者用指针做参数，一般都是用const加限制引用！

②临时变量的讲解😀

我们还是通过代码来看一下：

int main()
{
	double d = 10.28;
	int i = d;
	cout << (int)d << endl;
	return 0;
}

 看了这段代码，我想问几个问题：

1、把浮点型d赋值给整型i，是把d强转为int后再赋值给i吗？

2、输出强转成整型的d，是真的把d给强转截断了吗？

显然不是，这里就涉及到了临时变量的概念，这里无论是把d赋给i，还是把d强转，都产生了临时变量，它对原来的数据进行拷贝，在int i=d中，临时变量就等于把d强转后的数，然后再赋给i。

 这里为什么会出错呢？这要说到临时变量的一个特性，也就是常量性，临时变量是不可修改的，它是被const限制的，这里的赋值出错就是因为，临时变量对于d强转整型后的拷贝是常量，他不能被赋值给变量。

 当我们用const加限制，使它变为常量后，就运行成功了！

总结一下临时变量的特点：

1、隐式类型转换、强制类型转换、截断、提升、函数栈帧的销毁都会产生临时变量。

2、临时变量具有常量性，不能被修改！

1.5 传值、传引用效率的比较🐱

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 <time.h>
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();
	return 0;
}

 我们很轻易就看出，传引用的效率要远高于传值的。

1.6 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。但是，上面博主就验证过了，实际并非如此。

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。

 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，但是为了避免野指针，我们也要初始化指针。

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，引用编译器自己处理

9. 引用比指针使用起来相对更安全。

 二、内联函数🐅

2.1概念🐱

以 inline修饰的函数叫内联函数，编译时C++编译器会在 调用内联函数的地方展开， 没有函数调用栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

不知道读者在看到对于内联函数的介绍时有没有感觉到很熟悉，对，它确实和我们在C语言阶段所学习的宏定义函数很相似。那么，可能有的读者比较困惑，为什么有了宏， 他也能替换，也能不调用函数，不消耗栈帧，那么引入内联函数的意义是什么呢？

我们在C语言阶段，学习的宏它确实有不少优点，比如说：它不需要调用，比函数运行更快；它直接替换；它是类型无关的等等。但是他也有不少缺点：
1、不能调试；
2、没有类型安全检查；
3、容易写出带有副作用的宏参数，比如x++等等；
4、写宏的时候经常需要考虑运算符优先级问题，会加上不少的括号，很容易出错。

内联函数就是C++提出解决这些问题的。

2.2内联函数在编译器的表现🐱

 

 看到这里，可能有的读者就要发出疑问了，我们不是使用了内联函数吗，为什么还和普通函数一样需要call(调用)呢？

这是因为这是在debug模式下，编译器为了方便我们调试，而不发生替换。

如果在release模式下，编译器生成的汇编代码是不会存在call Add的。

在debug模式下，我们需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为在debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化)。

设置方式(vs 2019)：

 设置之后我们再进行调试，就可以发现没有调用函数，而是直接发生了替换：

2.3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，提升程序运行效率。

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，具体没有准确的标准，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的小函数采用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：

 3、inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline在预处理阶段被展开，没有有效函数地址了，链接会找不到。

4、如果函数调用过多，比如有10000个调用的地方，这时候就不建议使用内联函数了。因为比如说内联函数有30行代码，inline展开就有30W行代码，而这些代码是冗余的，无用重复代码，他会大大增加可执行程序的大小。这时就使用普通函数即可，它只需要消耗10000+30行代码。

对于第三点，我们可以在编译器上来查看一下：

// 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

这里为什么会报链接错误呢？我们在学习C语言预处理时知道，程序执行要经过预处理-->编译-->汇编-->链接这几个阶段，而链接要完成的任务是：

1、合并段表，相同的段进行合并；

2、符号表的合并和重定义，选取有效地址。

这里报错是因为符号表合并找不到有效地址而出错。为什么找不到呢？

因为在C++编译器中，当编译器遇到inline关键字后，除了会替换之外，内联函数就不会进入符号表，(这一点和宏是契合的，预处理之后不进入符号表)所以当替换的是内联函数的声明，而不是定义且在当前文件下找不到定义的时候，就会出现错误。

所以这里的建议是，编写内联函数在头文件的时候，不要声明，直接定义在头文件。

如果内联函数是解决宏函数缺陷的问题，那么对于宏定义的比如常量等其他问题我们是如何解决的呢？

C++通常用这些技术替代宏：

1、常量定义换用const enum

2、短小函数定义 换用内联函数。

三、auto关键字🐅

3.1类型别名思考🐱

为什么引入auto这个关键字呢？因为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

比如：

#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; }

这里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。有读者可能就会提出：可以通过typedef给类型取别名，比如说：

#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; }

但是还是不够方便。在编程时，常常需要把表达式的值赋给变量，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不容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

3.2auto简介🐱

auto会根据表达式的类型自行调整为对应的类型，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;
	return 0;
}

 这里的typeid().name()的作用是拿到变量的类型。

 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。

3.3 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声明引用类型时必须加&

int main()
{
    int x = 10;
    auto a = &x;
    auto* b = &x;
    auto& c = x;
    cout << typeid(a).name() << endl;
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    *a = 20;
    *b = 30;
     c = 40;
    return 0; 
}

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 。

3.4 auto不能推导的场景🐱

①auto不能作为函数的参数😀

void Func(auto x)
{
	printf("Func(int x)\n");
}
void Func(int x)
{
	printf("Func()\n");
}
int main()
{
	Func(5.2);
	Func(5);
	return 0;
}
//错误	C2668	“Func”: 对重载函数的调用不明确	

这里，很显然，如果使用auto，编译器是无法区分参数类型的，因为auto任何类型都可以兼容，这样和函数重载也会冲突。

②auto不能直接用来声明数组😀

void TestAuto()
{
	int a[] = { 1,2,3 };
	auto b[] = { 4，5，6 };
}

//错误	C2119	"b": 无法从空的初始值设定项推导 "auto []" 的类型	
//错误	C3318	“auto []”: 数组不能具有其中包含“auto”的元素类型	

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。

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。

四、基于范围的for循环🐅

4.1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，有时还会容易犯错，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。

比如我们想打印一个数组，这样就可以：

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

但是，如果我们想对数组里的元素操作，这样是否可以呢？

 我们发现，数组里的数据并没有乘以2，说明我们遍历的数组，不是数组本身，而是一个临时拷贝，并不影响数组的值，所以我们如果想对数组里的数操作，需要使用引用：

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

4.2范围for的使用条件🐱

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：对于传参的数组，是不能用范围for循环的。

void TestFor(int a[])
{
	for (auto& e : a)
		cout << e << endl;
}
int main()
{
	int a[] = { 1,2,4,5,6,7 };
	TestFor(a);
	return 0;
}

像这样，传过去的只是一个指针，也就是数组首个元素的地址。

五、指针空值nullptr(C++11)🐅

5.1 C++98中的指针空(NULL)🐱

我想先问一个问题，NULL是一个地址吗？如果你觉得NULL是一个地址，那么请看以下代码：

 如果NULL是地址，那么为什么会调用第二个函数而打印出f(int)呢？

这其实和C++98的bug有关，C98中对于NULL的定义，我们可以在头文件(stddef.h)中看到

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

我们看到，NULL实际是个宏，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，上面很显然程序将它作为0来处理而不是空值的指针。

5.2 空值指针nullptr🐱

为了应对这种错误，C++11引入了nullptr，将其定义为(void*)0，它是一个关键字，不需要引头文件。

注意：

1、在C++11中，sizeof(nullptr)与sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

2、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。