【C++初阶1-C++入门】舒服了...

前言

此篇，就正式进入C++的学习了。

C++，高级语言，从名字也能窥见一二，是C语言的 “升级版”。它对C语言中许多空白的地方进行填补，不足的地方进行优化，允许我们 “面向对象编程”。因此我们在学习过程中可以多多对比C++和C。它的优势也和C一样，可以直接操控硬件，相比其他高级语言较底层，因此适合做游戏开发、服务器开发等等偏后端的事儿。

今天是C++学习的第一站，我们先来学学基础语法第一课——C++入门

主要内容有：

• 命名空间
• 缺省参数
• 函数重载
• 引用
• 内联函数
• auto
• 范围for
• nullptr

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1. 命名空间

C的命名缺陷

C语言中关于命名，同个域中不允许变量、类型同名，也不允许函数同名。这会带来一些问题

1. 自己定义的变量、函数，可能会和库里的冲突
2. 做大项目的时候，也常出现命名冲突问题

#include 

int rand = 10;

int main()
{
	printf("%d\n", rand);

	return 0;
}

:10

现在可以正常输出，那我这样呢？

#include 
#include 

int rand = 10;

int main()
{
	printf("%d\n", rand);

	return 0;
}

此处就是自己定义的变量和库里的冲突，说到这，我们再问一个问题：

问：编译器是怎么找变量的？

#include 
//#include 

int rand = 10;

int main()
{
	int rand = 20;

	printf("%d\n", rand);

	return 0;
}

:20

局部 ==> 全局 ==> 找不到则报错

C++为了解决这个问题，提出了命名空间的概念…

命名空间

namespace 命名空间是C++内置的关键字

命名空间的定义

先看看它用起来是什么样的

#include 

namespace bacon
{
	int pig = 10;
}

int main()
{
	printf("%d\n", bacon::pig);
}

:10

语法：namespace [命名空间名]

有点像结构体啊，是的，结构体和命名空间的本质都是封装，只不过结构体封装的是类型，命名空间封装的是“名字”，它的本质是：

• 隔离 全局变量、类型、函数

• 并改变编译器查找规则

改变编译器查找规则？代码里的 : : 是什么东西？

命名空间的使用

域作用限定符

语法：mynamespace : : numbers

​ 命名空间 : : 成员

上面的代码中， bacon : : pig 的含义就是，在命名空间bacon中查找pig成员，这也是“改变编译器查找规则”的意思

编译器查找规则

• 不指定命名空间：局部 ==> 全局 ==> 报错（不指定bacon，编译器查找的时候就会当作没看到bacon）

• 指定命名空间

  • 在命名空间找

    printf("%d\n", bacon :: pig);
    

  • 在全局找

    printf("%d\n", :: pig);
    

命名空间的使用分以下三种：

使用时指定成员

printf("%d", bacon :: pig);

:10

隔离效果最佳，但是使用较麻烦

引入指定成员

using bacon :: pig;

printf("%d", pig);

:10

常用的可以引入

引入整个命名空间

using namespace bacon;

printf("%d ", pig);
printf("%s", song);

:10 Mojito

隔离失效，平时练习可以这么用，做项目之类的就别了

命名空间的嵌套定义

namespace bacon
{
	int pig = 10;

	namespace idol
	{
		namespace jay
		{
			const char* song = "Mojito";
		}
	}
}

int main()
{
	printf("%s\n", bacon::idol::jay::song);
}

:Mojito

总结

• 是什么：对命名的封装
• 为什么：防止命名冲突和污染
• 怎么用：使用时指定、引入某一成员和引入某一命名空间

---

2. hello world

了解完命名空间，我们进一步学习 hello world 程序

#include 

using namespace std;

int main()
{
	cout << "hello world" << endl;
	
	return 0;
}

:hello world

• #include ：告诉编译器我们要用 iostream 这个头文件

  • cin：标准输入
  • cout：标准输出
  • *cerr：标准错误
  • *clog：输出程序运行时的一般信息
  • << ：流插入运算符
  • >>：流提取运算符

• using namespace std：std，C++标准库的命名空间名，标准库的定义实现都在这个命名空间中

*c++中没有定义输入输出的语句，而是包含了一个全面的标准库来提供IO机制。iostream库包含两个基础类型 istream 和 ostream 表示输入输出流。一个流就是一个字符序列，“流”想表达的是，随着时间推移，字符序列顺序生成或消耗

问：那想控制输出格式呢？

用printf方便就用呗！哪个方便用哪个

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3. 缺省参数（默认参数)

缺省参数，就是在声明函数的某个参数的时候，为之指定一个默认值，在调用该函数的时候如果采用该默认值，你就无须指定该参数

缺省参数也分 全缺省 和 半缺省：

全缺省

#include 

using namespace std;

int f1(int e1 = 10, int e2 = 20)
{
	return e1 + e2;
}

int main()
{
	int ret = f1();

	cout << ret << endl;

	return 0;
}

:30

半缺省：只能从右往左连续缺省（需要缺省的往后放）

int f2(int e1, int e2 = 20)
{
	return e1 + e2;
}

int main()
{
	int ret = f2(100);

	cout << ret << endl;

	return 0;
}

:120

注意：

• 缺省参数不能在函数的声明和定义中同时出现（我们放在声明里就好）

  • 如果声明定义的缺省值不同，编译器不知道用哪个了

• 缺省参数一般是 常量 或 全局变量

总结

• 是什么：具有默认值的参数
• 怎么用：全缺省或半缺省（从左到右连续缺省）

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4. 函数重载

函数重载（fuction overload），指 我们可以通过传不同的参数来区分同名的函数。

简单来说，“一词多义”，一个函数名能调用执行不同的功能；反过来说，不同功能的函数可以同名。只需要：参数列表不同（类型、个数、顺序）。简单归纳：

构成函数重载：

• 函数名相同
• 函数参数列表不同

#include 

using namespace std;

int Add(int e1, int e2)
{
	return e1 + e2;
}

double Add(double e1, double e2)
{
	return e1 + e2;
}

int main()
{
	int i1 = 10;
	int i2 = 20;
	double d1 = 1.1;
	double d2 = 2.2;

	int reti = Add(i1, i2);
	double retd = Add(d1, d2);

	cout << reti << endl;
	cout << retd << endl;

	return 0;
}

：30
3.3

cin/cout 的自动识别类型也是函数重载，通过参数列表区分不同的输出类型

函数重载的二义性

现有两个构成重载的函数，调用时我们传的参数无法让编译器明确区分两个函数，我们称这两个构成重载的函数有 二义性

#include 

using namespace std;

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

void f(int e1 = 0, int e2 = 0)
{
	cout << "f(int e1 = 0, int e2 = 0)" << endl;
}

int main()
{

	return 0;
}

不调用并编译，能编译成功，说明构成重载

现在来调用一下看看

#include 

using namespace std;

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

void f(int e1 = 0, int e2 = 0)
{
	cout << "f(int e1 = 0, int e2 = 0)" << endl;
}

int main()
{
	f();

	return 0;
}

实际使用中要注意避免产生二义性

函数重载的简单原理

函数重载的原理不适合现阶段解剖，我们浅浅了解一下就够

我们知道，函数调用就是找到函数名对应的地址，执行地址处的函数体，但，相同的函数名怎么找到不同的地址？

虽然C++中构成函数重载的函数名看起来一样，但其实不尽相同…

函数名修饰

我们先来回忆一下 依函数声明找函数定义 的过程，

• Add.c：声明Add函数
• test.c：调用Add函数

程序从源文件到可执行程序：

源文件 ==预处理==> ==编译==> ==汇编==> ==链接==> 可执行程序

• 预处理：展开头文件，替换宏，过滤注释…
• 编译：不同源文件隔离编译，期间进行 语法分析、词法分析、语义分析、符号汇总
• 汇编：生成 .o 目标文件 、形成符号表
• 链接：合并段表、合并符号表、符号表重定位

*段表：把逻辑段映射到物理内存区

*符号表：编译过程时，源代码中的每个标识符都和它的声明或使用信息绑定在一起，比如其数据类型、作用域以及内存地址

再来看：test.c 中调用了 Add，但编译器在编译后链接前，要找函数定义的时候，发现 test.o 的目标文件内没有函数地址（找不到函数定义），就到 Add.o（其他目标文件） 中找，找到后链接（找不到就是链接错误）

接下来再看C和C++中，找函数定义时的区别：

（由于win的vs下函数名修饰太复杂，Linux下的gcc/g++就很好理解，所以下面用gcc演示）

int Add(int a, int b)
{
	return a + b;
}

void func(int a, double b, int* p)
{}

int main()
{
	Add(1, 2);
	func(1, 2, 0);
	return 0;
}

• C语言编译器

• C++ 编译器

可以看到，C编译器编译后，函数名不变；C++编译器编译后函数名被修饰了：[ _Z + 函数名长度 + 函数名 + 参数类型首字母 ]

我们使两个函数构成重载时，参数列表的不同，已经决定了两个函数是“不一样的函数”了，怎么说？

不同的参数列表，使函数名被修饰成不同的样子，有了修饰后 根本意义上不同的函数名，这样一来，C++编译器通过函数名修饰规则，就能找到对应代码

问：返回值类型不同能不能构成函数重载？

不能的话，那我们在函数名修饰中带上返回值类型不就好了吗？

：不能构成，而且也并不是因为函数名修饰，而是 调用时的二义性——

调用的地方不能控制返回值的类型，我调用返回值为int的，你给我调用返回值为char的，那可不行

总结

• 是什么：参数列表不同的同名函数，能执行不同代码
  • 原理是函数名修饰规则，让编译器有了分辨的能力
• 避免二义性：
• 返回值必须相同 —— 不同的返回值产生二义性
• 参数列表不能有二义性如 —— 全缺省 和 无参数 的函数构成重载，调用时就会有二义性

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5. 引用

引用，一种数据类型，像是变量的同位语，或是给它取别名，一块空间的不同名字

比如： 周杰伦，JayChou，很多人的青春…

周杰伦就是JayChou，JayChou就是很多人的青春，没有区别

#include 

using namespace std;


int main()
{
	int i = 10;
	int& ri = i;
	int& rri = i;

	cout << &i << endl;
	cout << &ri << endl;
	cout << &rri << endl;

	return 0;
}

:02D8FBE0
02D8FBE0
02D8FBE0

特性：

• 一个实体可以有多个引用
• 引用必须初始化，且初始化后不能更改引用的实体
  • 所以C++的引用代替不了指针，二者相辅相成

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int i1 = 10;
	int i2 = 20;
	int& ri = i1;

	ri = i2;//赋值操作，不是引用新实体

	cout << ri << endl;

	return 0;
}

:20

引用的应用场景

作参数

#include 

using namespace std;

int f(int& ri)
{
	return ri *= 10;
}

int main()
{
	int i = 10;
	
	int ret = f(i);

	cout << ret << endl;

	return 0;
}

ri 接收到参数 i 后就成了 i 的别名，对 ri 操作 == 对 i 操作

引用作参数的优势：

1. 减少拷贝，提高效率
2. 引用参数是输出型参数——函数中修改形参，实参也跟着改变

作返回值

//传值返回
int f1()
{
	int n1 = 1;
	return n1;
}

//引用返回
int& f2()
{
	int n2 = 2;
	return n2;
}

先回忆一下 传值返回…

传值返回

：创建一个和返回值类型同类型的临时变量（之后称作tmp）==> 将 n1 放进 tmp ==> 销毁栈帧 ==> 通过临时变量带回返回值

这样一来就有一层 拷贝

int tmp = n1;
//销毁栈帧
return tmp;

（tmp小就创建在寄存器内，大就创建在上一层栈帧）

需要十分注意的是：临时变量具有常性！！

问：不能直接返回n1吗？

n1是开辟在栈上的临时变量，出作用域就销毁，数据不由我们控制了

引用返回

：相比传值返回，唯一区别就是临时变量的类型是引用

像代码中写到的，也就是把返回值放到一个int&类型的临时变量，返回这个临时变量（n2 的别名）

int& tmp = n2;
return tmp;

显然危险—— n2已经销毁，可得：

实体返回后仍存在，则可以安全返回它的引用；反之不行

引用返回的优势：

1. 减少拷贝， 提高效率
2. 可以对返回值操作

const 引用

const引用，常引用，引用的实体为常量（具有常性）的引用

要学const引用，首先得知道这一原则：

指针和引用的赋值中 权限可以缩小或平移，不能放大

为什么就是指针和引用？它们都影响实体，如果不影响，就不涉及权限…

int main()
{
	int a = 10;
	const int* pa = a;//pa是指针，影响a，报错

	const int tmp = a;//tmp只是普通的变量，不影响a，正常

	return 0;
}

int main()
{
	
	int a = 10;//int 可读可写

	
	int& ra = a;//int& 可读可写

	//a ==> ra
	//int ==> int& 
	//可读可写 ==> 可读可写 权限平移，没毛病

    
	const int& cra = a;//const int& 只读

	//a ==> cra
	//int ==> const int& 
	//可读可写 ==> 只读 权限缩小，没毛病


	const int b = 20;//const int 只读
	
	int& rb = b;//int& 可读可写

	//b ==> rb
	//const int ==> int& 
	//只读 ==> 可读可写 权限放大，error

	
	const int& crb = b;//const int& 只读 
	//b ==> crb
	//const int ==> const int&
	//只读 ==> 只读，权限平移，没毛病

	return 0;
}

现在再看一个传值返回的例子：

#include 

using namespace std;

int f()
{
	int n = 10;
	return n;
}

int main()
{
	//传值返回，产生临时变量
	int& ret = f();//error

	return 0;
}

要求给int&的初始值必须是可以修改，难道不是吗？

其实

• 类型的转换（强转/提升/截断）
• 传值返回

都会产生临时变量

而，最最重要的还是，这个临时变量具有常性，不可修改！

#include 
using namespace std;

int f()
{
	int n = 10;
	return n;
}

int main()
{
	//类型转换，产生临时变量
	double d = 10;

	//int& rd = (int)d;//error
	const int& rd = (int)d;//ok

	//传值返回，产生临时变量
	//int& ret = f();//error
	const int& ret = f();//ok
	
	return 0;
}

哦哦哦，懂了，然后呢，有什么用？

问：为了减少拷贝提高效率，把函数的参数都设计成引用，好么？

不好，传参会受限制，可能会权限放大——比如形参是可读可写的引用，实参传了只读的实体

那怎么做？

const引用不就来了嘛，形参设计成const引用，你不管传什么，都是 权限缩小或平移

#include 
using namespace std;

int f(const int& e1)
{
    //...
}

int main()
{
	int a = 10;//缩小
	const int b = 20;//平移

	f(a);
	f(b);

	return 0;
}

引用的实现

既然它和指针这么像，我们就好好看看它们到底有什么区别，上反汇编…

lea（load effective address）：加载有效地址

mov：类似赋值操作

二者都是

1. 把 [i] 的有效地址 加载到寄存器 eax 中
2. 把 eax 中的地址赋给 [ra]/[pa]

可知，引用底层实现上是占空间的，也可知，指针和引用的底层实现是一样的。但是语法上，引用还是不占空间

总结

• 是什么：变量的别名
• 为什么：有些场景比指针更适合
• 作用
  • 做参数：减少拷贝 + 输出型参数
  • 做返回值：减少拷贝 + 可对返回值操作
• const引用
  • 核心：指针和引用的运算中，权限可以缩小、平移，不能放大
• 实现：“自动解引用的指针”

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6. 内联函数

C语言中，对于规模小、结构简单、重复调用的小函数，总是开辟栈帧开辟栈帧，很浪费性能，C++提出内联函数来解决这个问题

内联 inline

inline是C++中的关键字，只是建议编译器将某函数视为内联函数，编译器会根据情况来决定

特性：

1. 内联函数在预处理后会在调用函数的地方直接展开，不会开辟栈帧，而是直接执行指令

*也代表如果内联函数的规模大/结构复杂，会造成代码膨胀：比如递归，疯狂地展开一堆代码，最直接的体现就是最终出来的exe文件会变得很大

2. 不适合声明定义分离
直接展开，代表内联函数没有函数地址，不会进符号表，链接时会产生链接错误

// F.h
#include 
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

应用：小函数

• 规模小
• 结构简单
• 重复调用

本质上，inline是一种空间换时间的做法

总结

• 是什么：预处理后会在调用处直接展开函数题的函数
• 为什么：对小函数频繁调用，开辟栈帧效率不高
• 怎么用：对规模小、结构简单和调用频繁的函数使用

面试题

问：宏的优缺点？

优点：

• 提高代码 复用性
• 提高性能

缺点：

• 可读性差，可维护性差，易错
• 没有类型安全的检查
• 无法调试

问：如何解决宏的缺点？

1. 换用const enum来定义常量
2. inline 小函数

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7. auto(C++11)

auto，一种数据类型，可以根据被赋的值自动推导类型，是C++的关键字

为什么会出现这样的数据类型？学到后面，会发现类型的命名简直复杂：

#include 
#include 
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::iterator 是一个类型，也许可以typedef？

typedef char* pstring;
int main()
{
	const pstring p1; 
	const pstring* p2;
	return 0;
}

typedef要求我们 声明变量的时候必须知道之后会给它赋什么类型的值，有时候很苦恼， 那看看auto

std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();

auto it = m.begin

舒服

int main()
{
	int x = 1;

	auto a1 = x;//自动识别
	auto a2 = &x;//自动识别
	auto* a3 = &x;//指定auto为指针类型
	auto& a4 = x;//指定auto为引用类型

	//typeid(variable).name()：拿到变量类型名称的字符串
	cout << typeid(a1).name() << endl;
	cout << typeid(a2).name() << endl;
	cout << typeid(a3).name() << endl;
	cout << typeid(a4).name() << endl;

	return 0;
}

:int
int *
int *
int //语法上来  说，x是int类型，它的别名找到的一小块内存空间也是int类型

使用注意事项

1. auto声明引用类型时，必须指定auto为引用类型（否则会直接识别为原类型）

int main()
{
	int x = 1;

	//auto声明/定义指针类型，指不指定都行
	auto a1 = &x;//自动识别
	auto* a2 = &x;//指定auto为指针类型

	//auto声明/定义引用类型，必须指定
	auto a3 = x;//自动识别为int了
	auto& a4 = x;//指定auto为引用类型

	cout << typeid(a1).name() << endl;
	cout << typeid(a2).name() << endl;
	cout << typeid(a3).name() << endl;
	cout << typeid(a4).name() << endl;

	*a1 = 10;
	cout << x << endl;

	a3 = 20;//a3与x无关
	cout << x << endl;

	a4 = 30;
	cout << x << endl;

	return 0;
}

2. 一行声明多个auto变量时，整行的变量类型必须相同（auto根据第一个变量类型，确定后续的类型）

int main()
{
	auto a1 = 1234, a2 = 123.4;
	return 0;
}

3. auto不能作为函数参数

函数开辟栈帧前，要先根据参数计算要开辟多大空间，但是auto大小不确定使得编译器无法计算

void TestAuto(auto a)
{}

4. auto不能直接声明数组

int main()
{
	auto a[] = { 1, 2, 3, 4 };
	return 0;
}

5. 为了不和C++98的auto混淆，C++11的auto只作为类型指示符

总结

• 是什么：会自动识别类型的类型
• 为什么：有些类型名冗长
• 怎么用：auto i = XXX；
  • 引用需要指定
  • 一行声明多个，需要整行类型相同（只识别第一个）
  • 不能作为函数参数（无法确定函数栈帧大小）
  • 不能直接声明数组

---

8. 基于范围的 for

范围for，自动判断范围，自动迭代

使用时，需要给一个迭代变量，再给定迭代范围，每次迭代都重新创建迭代变量

• 迭代变量：可以直接用auto，方便
• 迭代范围：必须是确定的

int main()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

	for (auto e : arr)//迭代变量叫啥都可以，e代表element
		cout << e << ' ';
	cout << endl;

	return 0;
}

:1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

使用注意事项

1. 迭代时，编译器每次取范围内的数据，赋值给迭代变量，迭代变量并不改变范围内数据

int main()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

	for (auto e : arr)
		e *= 2;

	for (auto e : arr)
		cout << e << ' ';
	cout << endl;

	return 0;
}

:1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

如果想改变，设计成 auto& e

int main()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

	for (auto& e : arr)
		e *= 2;

	for (auto e : arr)
		cout << e << ' ';
	cout << endl;

	return 0;
}

:2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

用auto*可以吗？不行，范围for只是每次取 arr[0]、arr[1]，是int类型，不能用int*接收（引用还是有意义滴）

2. 迭代范围必须是确定的

如果迭代数组，范围就是第一个元素到最后一个元素
如果迭代类，要提供begin( )、 end( ) 两个方法

//数组传参后变指针，范围不确定了
void TestRangeFor(int[] arr)
{
	for (auto e : arr)
		cout << e << endl;
}

int main()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

	TestRangeFor(arr);

	return 0;
}

3. 迭代的对象要实现++和==的操作。(现在做个了解，以后才讲的请)

总结

• 是什么：自动迭代的循环
• 为什么：写起来方便
• 怎么用：for(迭代变量 : 迭代范围)
  • 对数组，范围必须确定
  • 对自定义类型，必须提供begin和end方法

---

9. nullptr

学习了这么长时间，多多少少知道NULL本质上是标识符，但是它在传统C的头文件（stddef.h ）中的定义是这样：

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

C++中，它的定义出现了bug，被定义成了字面常量0，这也导致许多地方的使用出现问题：

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;
}

:f(int)
f(int)
f(int*)

我们希望NULL是void* 类型的指针空值，但却被识别成字面常量int类型的0，想正常用还要强转，很麻烦。这么简单的bug，C++委员会怎么不修复？

语言要向前兼容，有些代码就按照这个特性跑得好好的，你修复，我代码崩了，我还能好受嘛。所以只能打补丁：

用 nullptr 来代替 NULL 的功能

nullptr 就相当于 (void*)0

void f(int)
{
	cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int*)
{
	cout << "f(int*)" << endl;
}
int main()
{
	f(0);
	f(nullptr);
	return 0;
}

:f(int)
f(int*)

注意：

• nullptr 是关键字
• C++11中，sizeof(nullptr) 和 sizeof((void*)0) 相等
• 后续最好使用 nullptr

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今天的分享就到这里，感谢大家能看到这，不足之处多多交流

这里是培根的blog，期待与你共同进步！