C语言过渡C++

前言

学习完C语言后，想必不少人会继续学习一门面向对象的语言——C++。今天我们学习一下C++一些新增的语法。

C++的诞生

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(object oriented 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。

• C++是在C语言的基础上诞生的，所以祖师爷本贾尼为补充C语言语法的不足，在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。

C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字。

• 了解即可

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

为了解决以上问题，C++提供了一种解决办法，那就是关键字——namespace。

命名空间定义

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。

一般使用

• 命名空间中可以定义变量/函数/类型

namespace don
{
	int a = 100;

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

	struct listnode
	{
		int data;
		struct listnode* next;
	};
}

namespace嵌套使用

namespace don
{
	int a = 100;

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

	struct listnode
	{
		int data;
		struct listnode* next;
	};

	namespace mea
	{
		int a = 100;

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

		struct listnode
		{
			int data;
			struct listnode* next;
		};
	}
}

同一项目不同文件里

• 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。

命名空间使用

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 （使用时指定某一成员）

int main()
{
	printf("%d", don::a);

	return 0;
}

• 使用using将命名空间中某个成员引入（展开某一成员，使用时无需再次说明）

using don::x;
int main()
{
	printf("%d", don::a);
	printf("%d", x);

	return 0;
}

• 使用using namespace 命名空间名称 引入（全部展开）

//using don::x;
using namespace don;
int main()
{
	//printf("%d", don::a);
	//printf("%d", x);
	printf("%d", a);
	printf("%d", x);

	return 0;
}

C++输入&输出

想要“精通”一门语言，不会用该门语言输出hello world是说不过去的

#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;
}

• 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。
  • 以上对象或符号都包含在标准库std里面，想要使用就得按上面提到的命名空间使用规则来使用；using namespace std 就是采用全部展开的使用方法
• <<是流插入运算符，>>是流提取运算符
• 使用C++输入输出更方便，不需要像C语言中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

int main()
{
	int a = 1;
	float b = 2.2;
	double c = 3.3333;
	char d = 'x';
	const char* str = "hello world";
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
	cout << d << endl;
	cout << str << endl;

	return 0;
}

关于标准库std
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。

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。

void print(int x = 10)
{
	cout << x << endl;
}

int main()
{
	print();//不传参时使用默认值10
	print(0);传参时使用指定参数
	return 0;
}

缺省参数分类

• 全缺省：函数形参都有值

void print(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
}

• 半缺省：函数形参不都有值

void print(int a, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
}

需要注意以下情况

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，且不能间隔着给

错误示例
void print(int a = 10, int b , int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
}

2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现

//在.h文件中声明
void print(int a = 1, int b=2 , int c = 3);
//在.cpp文件中实现
void print(int a = 10, int b=20 , int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
}

如果生命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
用那个缺省值。（建议在声明的地方给缺省值）

3. 最后，缺省值必须是是常量或者全局变量

函数重载

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。

能实现函数重载是原因是在C++中，编译器是会对函数名进行修饰，而C语言是不会进行修饰的，所以C语言是不支持函数重载的。

• Windows下名字修饰规则（了解即可）
  

类如要实现一个Add函数，不用再像C语言一样专门去区分实现整型，浮点型Add函数的函数名了，只要参数不同（类型 ，个数，顺序）不同，就可以实现函数重载。

1. 参数类型不同

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

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



int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.1, 2.2);
}

2. 参数个数不同

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

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


int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.1, 2.2,3.3);
}

3. 参数（类型）顺序不同

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

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


int main()
{
	Add(1, 2.2);
	Add(1.1, 2);
}

注意：返回类型是不参与函数重载的命名规则的

由于下面两个Add函数的参数部分类型，个数相同，编译器会认为是同一个函数，因为返回值是不参与函数重载命名规则的

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

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


int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1, 2);
}

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：李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。

用法：类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	//err
	float& raf = a;
	return 0;
}

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

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra1 = a;
	//定义时必须初始化
	//int& ra2 ;
	
	//多个引用
	int b = 10;
	int& rb1 = b;
	int& rb2 = b;
	cout << rb2 << endl;
	
	//一旦引用实体，就不能再引用别的实体
	//rb2已经引用了实体b,b为10，下面rb2不是在引用c，而是将c赋值给b
	int c = 100;
	rb2 = c;
	cout << rb2 << endl;
	cout << b << endl;//发现b已经变成100了

	return 0;
}

常引用

不能直接引用const的实体（对象）

int main()
{
	const int a = 10;
	//int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
	const int& ra = a;
	// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
	const int& b = 10;
	double d = 12.34;
	//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
	const int& rd = d;

	return 0;
}

要想引用const实体，必须在引用前面也加上const

• 原因是const对象是不能被修改的，可读不可写。直接引用本意是可以修改的，这样就会导致权限放大，所以必须在引用前面加上const，保证只能读不能写。

使用场景

1. 做参数

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

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	Swap(a, b);
	return 0;
}

还记得在C语言阶段使用函数交换两个数必须使用指针的情景吗，现在可以直接使用引用,也就不需要传地址了

2. 做返回值

当函数返回值不会因函数结束而销毁时，就可以引用返回，这样可以减少开销。

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

思考下面传引用返回的问题

int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}
int main()
{
    int& ret = Add(1, 2);
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}

我们使用传引用返回，发现结果是错的（也有可能是对的），但都是错误的。因为这块空间结束时就返回给操作系统了，而引用保留的还是一块已经释放的空间，所以此时使用引用返回时不合理的

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。

int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
cout<<"&a = "<<&a<<endl;
cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;
return 0;
}

引用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
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

内联函数

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。

没有加关键字inline时，Add函数会开辟一块栈帧也就是下图的call指令

当加了关键字inline之后，在原本要调用Add函数的地方直接展开。

特性及注意事项

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：
   
3. 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。

auto关键字(C++11)

auto简介

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;
}

• typeid是一个运算符，它用于在运行时确定一个对象的类型信息

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

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;
    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。

int main()
{
	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
	return 0;
}

auto不能推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

//错误示例：参数无法推导
void TestAuto(auto a)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

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

基于范围的for循环(C++11)

一直以来遍历数组的形式如下

int main()
{
	int a[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(int); i++)
	{
		cout << a[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(int); i++)
	{
		cout << *(a+i)<< " ";
	}

	return 0;
}

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。

int a[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
for (auto e : a)
{
	cout << e << " ";
}

范围for的使用条件

1. 对于数组而言,for循环迭代的范围必须是确定的，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。
2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(这是关于迭代器的内容，后续再进行介绍)

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;
}

所以在C++11之后通过关键字nullptr表示指针空值来解决这个问题

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。