C++总结

C++

从 C 到 C++

起源

• 早期并没有“C++”这个名字，而是叫做“带类的C”，作为C语言的一个扩展和补充出现，增加了很多新的语法，目的是提高开发效率（与 Servlet 和 JSP 的关系类比）

• 这个时期的 C++ 非常粗糙，仅支持简单的面向对象编程，也没有自己的编译器，而是通过一个预处理程序（cfront），先将 C++ 代码”翻译“为C语言代码，再通过C语言编译器合成最终的程序

• 随着 C++ 的流行，语法越来越强大，已经能够很完善的支持面向过程编程、面向对象编程和泛型编程，几乎成了一门独立的语言，拥有了自己的编译方式

• 我们很难说 C++ 拥有独立的编译器，例如：Windows 下的微软编译器（cl.exe）、Linux 下的 GCC 编译器、Mac 下的 Clang 编译器（已经是 Xcode 默认编译器，雄心勃勃，立志超越 GCC），它们都同时支持C语言和 C++，统称为 C/C++ 编译器。对于C语言代码，它们按照C语言的方式来编译；而对于 C++ 代码，就按照 C++ 的方式编译

OOP

• 在C语言中，把重复使用或具有某项功能的代码封装成一个函数，将拥有相关功能的多个函数放在一个源文件，并提供对应的头文件，这就是一个模块。使用模块时，只要引入对应的头文件

• 而在 C++ 中，多了一层封装，就是类（Class）。类由一组相关联的函数、变量组成，可以将一个类或多个类放在一个源文件，使用时引入对应的类就可以

• 不要小看类（Class）这一层封装，它有很多特性，极大地方便了中大型程序的开发，并让 C++ 成为面向对象的语言

• 面向对象编程在代码执行效率上绝对没有任何优势，它的主要目的是方便组织和管理代码，快速梳理编程思路，带来编程思想上的革新

• 面向对象编程是针对开发中大规模的程序而提出来的，目的是提高软件开发的效率。但不要把面向对象和面向过程对立起来，面向对象和面向过程不是矛盾的，而是各有用途、互为补充的。如果你希望开发一个贪吃蛇游戏，类和对象或许是多余的，几个函数就可以搞定；但如果开发一款大型游戏，你绝对离不开面向对象

编译方式

• C++源文件后缀

  • C、cc、cxx

  • cpp

  • cpp、cxx、cc、c++、C

  • cpp、cxx、cc

  • Microsoft Visual C++

  • GCC（GNU C++）

  • Borland C++

  • UNIX

• Linux GCC

  • gcc main.cpp module.cpp -lstdc++

  • g++ main.cpp -o demo

  • 使用C++库链接

  • 指定名称

  • gcc main.c module.c

  • C语言

  • C++

  • GCC 由 GUN 组织，最初只支持C语言，是一个单纯的C语言编译器。后来 GNU 组织倾注了更多精力，GCC 越发强大，增加了对 C++、Objective-C、Fortran、Java 等语言的支持，此时的 GCC 就成了一个编译器套件（套装），是所有编译器的总称

  • gcc命令也做了相应地调整，不再仅仅支持C语言，而是默认支持C语言，增加参数后可以支持其他的语言。即是一个通用命令，根据不同的参数调用不同的编译器或链接器

  • 但是让用户指定参数是一种不明智的行为，不但增加了学习成本，还使得操作更加复杂，所以后来 GCC 针对不同的语言推出了不同的命令，例如g++命令用来编译 C++，gcj命令用来编译 Java，gccgo命令用来编译Go语言

命名空间与头文件

• 命名空间

  • name 是命名空间的名字，可以包含变量、函数、类、typedef、#define 等，最后由 {} 包围

  • 为解决不可避免的变量或函数的命名冲突

  • namespace name {    // variables, functions, classes}

  • :: 称为域解析操作符（也称作用域运算符或作用域限定符），指明要使用的命名空间

  • 除了直接使用域解析操作符，还可以采用 using 关键字声明。不仅可以针对命名空间中的一个变量，也可以用于声明整个命名空间

• 头文件

  • 旧的 C++ 头文件，如 iostream.h、fstream.h 等将会继续被支持，尽管它们不在官方标准中。这些头文件的内容不在命名空间 std 中，位于全局作用域，这也是 C++ 标准所规定的

  • 新的 C++ 头文件，如 iostream、fstream 等包含的基本功能和对应的旧版头文件相似但不完全对应，头文件的内容在命名空间 std 中

  • 标准C头文件如 stdio.h、stdlib.h 等继续被支持。头文件的内容不在 std 中

  • 具有C库功能的新C++头文件具有如 cstdio、cstdlib 这样的名字。它们提供的内容和相应的旧的C头文件相同，只是内容在 std 中

  • 早期的 C++ 还不完善，不支持命名空间，没有自己的编译器，而是将 C++ 代码翻译成C代码。这个时候 C++ 仍然使用C语言的库：stdio.h、stdlib.h、string.h

  • C++ 也开发了一些新的库，增加自己的头文件。C++ 头文件仍然以 .h 为后缀，它们所包含的类、函数、宏等都是全局范围的，例如：iostream.h：控制台输入输出头文件；fstream.h：文件操作头文件；complex.h：复数计算头文件。

  • 后来 C++ 引入了命名空间的概念，计划重新编写库，将类、函数、宏等都统一纳入一个命名空间，名为std，即“标准命名空间”

  • 但是这时已有很多老式 C++ 开发的程序了，并没有使用命名空间，直接修改原来的库会带来一个很严重的后果：程序员会因为不愿花费大量时间修改老式代码而极力反抗，拒绝使用新标准的 C++ 代码

  • C++ 开发人员想了一个好办法：保留原来的库和头文件，它们在 C++ 中可以继续使用；然后再把原来的库复制一份，在此基础上稍加修改，把类、函数、宏等纳入命名空间 std 下，就成了新版 C++ 标准库。这样共存在了两份功能相似的库，使用了老式 C++ 的程序可以继续使用，新开发的程序可以使用新版的 C++ 库

  • 为了避免头文件重名，新版 C++ 库对头文件的命名做了调整，去掉了后缀 .h：iostream、fstream 等等；而对于原来C语言的头文件，变成了：cstdio、cstdlib 等等

  • 头文件小结

  • 需要注意的是，旧的 C++ 头文件是官方所反对使用的，已明确提出不再支持，但旧的C头文件仍然可以使用，以保持对C的兼容性。实际上，编译器开发商不会停止对客户现有软件提供支持，可以预计，旧的 C++ 头文件在未来数年内还是会被支持

  • 不过现实情况和 C++ 标准所期望的有些不同。对于原来C语言的头文件，即使按照 C++ 的方式来使用，即 #include <cstdio> 这种形式，那么符号可以位于命名空间 std 中，也可以位于全局范围中。Microsoft Visual C++ 和 GCC下都能够编译通过，也就是说，大部分编译器在实现时并没有严格遵循 C++ 标准

  • 标准写法会一直被编译器支持，非标准写法可能会在以后的升级版本中不再支持

  • 虽然 C++ 几乎完全兼容C语言，C语言的头文件在 C++ 中依然被支持，但 C++ 新增的库更加强大和灵活，尽量使用这些 C++ 新增的头文件，例如 iostream、fstream、string 等

  • 将 std 直接声明在所有函数外部，虽然使用方便，但在中大型项目开发中是不被推荐的，会增加命名冲突的风险，推荐在函数内部声明 std

变量位置

• C89 规定，所有局部变量都必须定义在函数开头，在定义好变量之前不能有其他的执行语句。C99 标准取消了这这条限制。但是 VC/VS 对 C99 的支持很不积极，仍然要求变量定义在函数开头

• .c：可以在 GCC、Xcode 下编译通过，但在 VC/VS 下会报错。GCC、Xcode 对 C99 的支持非常好，可以在函数的任意位置定义变量；但 VC/VS 对 C99 的支持寥寥无几，必须在函数开头定义好所有变量

• .cpp：在 GCC、Xcode、VC/VS 下都可以编译通过。这是因为 C++ 取消了原来的限制，变量只要在使用之前定义好即可，不强制必须在函数开头定义所有变量

• 取消限制带来的一个好处是，可以在 for 循环的控制语句中定义变量，让代码看起来更加紧凑，使得的作用域被限制在 for 循环语句内部，减小了命名冲突的概率

const

• 内存中的 const

  • C++ 中的 const 变量虽然也会占用内存，也能使用 & 获取得它的地址

  • const int m = 10;int n = m;

  • 在C语言中，编译器先到 m 所在的内存中取出数据，再赋给 n；而在 C++ 中，编译器直接将 10 赋给 m，没有读取内存的过程，和 int n = 10; 的效果一样。C++ 中的常量更类似于 #define 命令，是一个值替换的过程，只不过 #define 是在预处理阶段替换，而常量在编译阶段替换，并且会进行类型检查

  • C++ 对 const 的处理少了读取内存的过程，优点是提高了程序执行效率，缺点是不能反映内存的变化，一旦 const 变量被修改，C++ 就不能取得最新的值

• const 作用域

  • C++ 对 const 的特性做了调整，全局 const 变量的作用域仍然是当前文件，在其他文件中是不可见的，和添加了 static 关键字的效果类似

  • 由于 C++ 中全局 const 变量的可见范围仅限于当前源文件，所以可以放在头文件中，这样可以被包含多次

  • C和 C++ 中全局 const 变量的作用域相同，都是当前文件，不同的是它们的可见范围：C语言中 const 全局变量的可见范围是整个程序，在其他文件中使用 extern 声明后就可以使用；而 C++ 中 const 全局变量的可见范围仅限于当前文件，在其他文件中不可见，所以可以定义在头文件中，可多次引入

  • 如果使用的是 GCC，可以通过添加 extern 关键字来增大 C++ 全局 const 变量的可见范围

内联函数（内嵌函数、内置函数）

• 减少函数调用开销

  • 为了消除函数调用的时空开销，在编译时将函数调用处用函数体替换。类似于宏展开

  • inline 是一种“用于实现的关键字”，而不是一种“用于声明的关键字”。在函数声明处添加 inline 关键字是无效的，被编译器会忽略

  • 更为严格地说，内联函数不应该有声明，应该将函数定义放在本应该出现函数声明的地方，这是一种良好的编程风格：由于内联函数比较短小，通常省略函数原型，将整个函数定义放在本应该提供函数原型的地方

  • 使用内联函数的缺点也是非常明显的，编译后的程序会存在多份相同的函数拷贝，如果被声明为内联函数的函数体非常大，那么编译后的程序体积也将会变得很大，所以再次强调，一般只将那些短小的、频繁调用的函数声明为内联函数

  • 对函数作 inline 声明只是程序员对编译器提出的一个建议，不是强制性的，并非一经指定为 inline 编译器就必须这样做。编译器有自己的判断能力，根据具体情况决定是否这样做

• 内联函数与宏

  • 在编写 C++ 代码时推荐使用内联函数替换带参数的宏

  • 和宏一样，内联函数可以定义在头文件中（不用加 static 关键字），并且头文件被多次 #include 后也不会引发重复定义错误。这一点和非内联函数不同，非内联函数是禁止定义在头文件中的，它所在的头文件被多次 #include 后会引发重复定义错误

  • 而将内联函数的声明和定义分散到不同的源文件，链接时会出错。编译期间用内联函数替换函数调用处，编译完成后函数就不存在了，链接器在将多个目标文件（.o 或 .obj 文件）合并成一个可执行文件时找不到该函数的定义

  • 内联函数虽然叫做函数，在定义和声明的语法上也和普通函数一样，但它已经失去了函数的本质。函数是一段可以重复使用的代码，位于虚拟地址空间中的代码区，也占用可执行文件的体积；而内联函数的代码在编译后就被消除了，不存在于虚拟地址空间中，不重复使用

  • 将内联函数作为带参宏的替代方案更为靠谱，而不是真的当做函数使用

  • 内联函数在编译时会将函数调用处用函数体替换，编译完成后函数就不存在了，所以在链接时不会引发重复定义错误。这一点和宏很像，宏在预处理时被展开，编译时就不存在了。从这个角度讲，内联函数更像是编译期间的宏

默认参数

• void func(int a, char c = '@', float b = 1 + 2.9) {}

• 指定了默认参数后，调用时可以省略该实参

• C++规定，默认参数只能放在形参列表的最后，而且一旦为某个形参指定了默认值，其后的所有形参都必须有默认值。实参和形参的传值是从左到右依次匹配的，默认参数的连续性是保证正确传参的前提

• 通过使用默认参数，可以减少要定义的析构函数、方法以及方法重载的数量

• 除了函数定义，你也可以在函数声明处指定默认参数。不过当出现函数声明时情况会变得稍微复杂

  • C++ 规定，在给定的作用域中只能指定一次默认参数。若定义和声明位于同一个源文件，它们的作用域也就都是整个源文件，这样就导致在同一个文件作用域中指定了两次默认参数，违反了 C++ 的规定

  • C语言有四种作用域，分别是函数原型作用域、局部作用域（函数作用域）、块作用域、文件作用域（全局作用域），C++ 也有这几种作用域

  • 编译器使用的是当前作用域中的默认参数。站在编译器的角度看，它不管当前作用域中是函数声明还是函数定义，只要有默认参数就可以使用

  • 在多文件编程时，我们通常的做法是将函数声明放在头文件中，并且一个函数只声明一次，但是多次声明同一函数也是合法的

  • 不过有一点需要注意，在给定的作用域中一个形参只能被赋予一次默认参数。函数的后续声明只能为之前那些没有默认值的形参添加默认值，而其右侧的所有形参必须都有默认值

函数重载

• C++ 允许多个函数拥有相同的名字，只要参数列表不同就可以

• 参数列表又叫参数签名，包括参数的类型、参数的个数和参数的顺序

• 重载函数的返回类型可以相同也可以不相同

• C++ 代码在编译时会根据参数列表对函数进行重命名。例如 void Swap(int a, int b) 会被重命名为 _Swap_int_int（不同的编译器有不同的重命名方式）。当发生函数调用时，编译器会根据传入的实参去逐个匹配，以选择对应的函数，如果匹配失败，编译器就会报错。这叫做重载决议（Overload Resolution）

• 从这个角度讲，函数重载仅仅是语法层面的，本质上它们还是不同的函数，占用不同的内存，入口地址也不一样

• 重载决议的优先级不同于四则运算

  • 整型转换

  • 小数转换

  • 整数和小数转换

  • 指针转换

  • char 到 long、short 到 long、int 到 short、long 到 char

  • double 到 float

  • int 到 double、short 到 float、float 到 int、double 到 long

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