【C++】 C++入门和基础

                                                        什么是C++？

        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。

登高莫问顶，途中耳目新！

文章目录

• 一、C++的发展历史和应用领域
• 二、C++的关键字
• 三、命名空间
• 四、C++的输入输出
• 五、缺省参数
• 六、函数重载
• 七、C++的引用
• 八、内联函数
• 总结

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、C++的发展历史和应用领域

1.1、C++的起源

        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。之后便有了本贾尼博士等人设计出了C++这门语言。

1.2、C++发展史及历代版本

        1979年，贝尔实验室的本贾尼等人试图分析unix内核的时候，试图将内核模块化，于是在C语言的基础上进行扩展，增加了类的机制，完成了一个可以运行的预处理程序，称之为C with classes。

1.3、C++的历史版本

阶段	内容
C with classes	类及派生类、公有和私有成员、类的构造和析构、友元、内联函数、赋值运算符重载等
C++1.0	添加虚函数概念，函数和运算符重载，引用、常量等
C++2.0	更加完善支持面向对象，新增保护成员、多重继承、对象的初始化、抽象类、静态成员以 及const成员函数
C++3.0	进一步完善，引入模板，解决多重继承产生的二义性问题和相应构造和析构的处理
C++98	C++标准第一个版本，绝大多数编译器都支持，得到了国际标准化组织(ISO)和美国标准化 协会认可，以模板方式重写C++标准库，引入了STL(标准模板库)
···	···之后介绍重要版本
C++11	增加了许多特性，使得C++更像一种新语言，比如：正则表达式、基于范围for循环、auto 关键字、新容器、列表初始化、标准线程库等
C++14	对C++11的扩展，主要是修复C++11中漏洞以及改进，比如：泛型的lambda表达式， auto的返回值类型推导，二进制字面常量等

        现阶段我们常用的还是C++98和C++11；

1.4、C++的应用领域

 1. 操作系统以及大型系统软件开发

2. 服务器端开发

3. 人工智能

4. 网络工具

5. 游戏开发

6. 嵌入式领域

7. 数字图像处理

8. 分布式应用

9. 移动设备

二、C++的关键字

1.1、C++关键字

        (C++98) C++总计63个关键字，C语言32个关键字

三、 命名空间

3.1、命名空间的概念

        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。

示例：如下，我们自己定义的rand和库里的rand函数产生命名冲突

 3.2、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，然后接一对{}即可，{}中即为命名空间的成员。

        注意点：

       1、命名空间中的内容，既可以定义变量，也可以定义函数

       2、命名空间还可以嵌套,同名的命名空间会被编译器合并到一起。

3.3、命名空间嵌套的示例

#include
#include
namespace jjx
{
       namespace xiang
       {
              struct ListNode
              {
                      int val;
                      struct ListNode* next;
              };
       }
}

加域访问限定符访问使用示例：

#include//放出来，方便使用了，但是存在冲突风险
//using namespace std; 
//std封C++库的命名空间//放部分常用的
using std::cout;
using std::endl;
using std::cin;
int main()
{       
    cout << "hello world" << endl;
    return 0;
}

注意：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中的所有内容都局限于该命名空间中

3.4命名空间的使用

1、加命名空间名称及作用域限定符        ：：

2、使用using将命名空间中成员引入        using N::b;

3、使用using namespace 命名空间名称引入        using namespce N;

四、C++的输入输出

4.1、C++是如何实现输入输出的例子：

#include

using namespace std;
int main()
{
	int a = 0;
	scanf("%d", &a);
	printf("%d\n", a);
	// >> 流提取运算符,cin 是对象， >> 是运算符重载，并且自动识别输入类型
	cin >> a;
	// << 流插入运算符
	cout << a;
	return 0;
}

说明：

1. 使用cout标准输出(控制台)和cin标准输入(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及std标准命名空间。

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc 6.0)中还支持格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用

+std的方式。

2. 使用C++输入输出更方便，不需增加数据格式控制，比如：整形--%d，字符--%c

cin中的>>是通过重载>>和模板实现自动识别类型。

五、缺省参数

5.1、 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默认值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该 默认值，否则使用指定的实参。

类似于备胎的概念：

缺省参数/默认参数
void Fun(int a = 0)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	Fun();//没有传参数的时候，使用参数的默认值
	Fun(1);//传参时，使用指定的实参
	return 0;
}

 5.2、 缺省参数分类

  ·全缺省参数：

void Fun(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
       cout << "a =" << a << endl;
       cout << "b =" << b << endl;
       cout << "c =" << c << endl << endl;
}
int main()
{
       Fun();
       Fun(1);
       Fun(1, 2);
       Fun(1, 2, 3);
       return 0;
}

 ·半缺省参数：

 注：

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给

2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现

3. 缺省值必须是常量或者全局变量

4. C语言不支持（编译器不支持）

void Fun(int a , int b = 20, int c = 30)
{
       cout << "a =" << a << endl;
       cout << "b =" << b << endl;
       cout << "c =" << c << endl << endl;
}
int main()
{
//     Fun();半缺省至少传一个参数
       Fun(1);
       Fun(1, 2);
       Fun(1, 2, 3);
       return 0;
}

 缺省值必须是常量或者全局变量

void QueueInit(int n = 10);//申明给值
#include"Queue.h"
void QueueInit(int n)//定义给值不可以，必须在申明给值
{
       cout << n << endl;
}
#include"Queue.h"
int main()
{
       QueueInit();//不给值默认是10，如果是定义给值，则头文件在这展开时
       //编译器找不到其默认值，链接时找定义
       QueueInit(20);
       return 0;
}

六、函数重载

C语言不支持重载，C++支持重载！

C++是如何支持的？为什么C语言不能支持？

这里我们一起探索一下问题的答案！

6.1、函数重载概念 :

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 顺序)必须不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题

//C语言不支持同名函数
//CPP支持同名函数
//要求：参数名相同————
//参数不同：参数个数/类型/顺序
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
double Add(double left, double right)
{
	return left + right;
}
void f(int i, double d)
{
	cout << "void f(int i, double d)" << endl;
}
void f(double i, int d)
{
	cout << "void f(double i, int d)" << endl;
}
//示例二
void swap(int* p1, int* p2)
{
	int x = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = x;
}
void swap(double* p1, double* p2)
{
	double x = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = x;
}
int main()
{
	cout << Add(1, 2) << endl;
	cout << Add(1.1, 2.2) << endl;

	f(1, 22.2);
	f(22.2, 1);

	int a = 0, b = 1;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	swap(&a, &b);
	swap(&c, &d);
	return 0;

}

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？为此我们不得不提到一个新的概念名字修饰(name Mangling)。

6.2、 名字修饰(name Mangling)

在C/C++中，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。

         1. 实际我们的项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过我们C语言阶段学习的编译链接，我们 可以知道，【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，编译后链接前，a.o的目标文件中没有 Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。那么怎么办呢？

        2. 所以链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符 号表中找Add的地址，然后链接到一起。(如果同学们忘记了上面过程，咋们老师要带同学们回顾一下)

        3. 那么链接时，面对Add函数，连接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。

示例：由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下gcc的修饰规则简单易懂

 g++（C++）的函数名修饰

gcc

 

6.3 、extern “C”

 在函数前加extern "C"，意思是告诉编译器， 将该函数按照C语言规则来编译.

 

C++可以调用C的库，利用extern 是c++的语法

C也可以调用C++的库，但是很麻烦，需要条件编译

下面就是条件编译

小结：为啥C++支持函数重载

        了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。

七、C++的引用

 7.1 、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。

        就是类似于有些和正品耐克鞋质量一样好的莆田鞋，他们之间的价格可能差了好几倍，但是他们的本质是一样的。

代码+监视示例：

 7.2、 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

赋值操作执行时，比如说是上面的e赋值给b，编译器会给e产生一个临时变量，再把临时变量赋值给b，临时变量具有常性权限缩小，所以+const 

比如：

示例1：

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;//不变

	//取别名原则：对原引用变量，权限只能缩小，不能放大
	const int x = 20;//const是可读但不可改写（读写权限）
	//int& y = x; //权限放大了
	const int& y = x;
	int c = 30;
	const int& d = c;//权限的缩小

	return 0;
}

示例2：

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;
	const int& c = 20;//在传参过程取别名,才是它更多的作用
	//C++允许相似类型隐式转换，会发生截断或者是整形提升
	double d = 2.2;

	const int& e = d;//e是临时变量的地址，不是d的地址
    retuen 0;
}

7.3、 使用场景

1、做参数

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

 2. 做返回值

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

 注意：

        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。

7.4、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。

测试引用传参的效率、传值、指针传参效率的区别的函数

#include 
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A aa){}
void TestFunc2(A& aa){}
void TestFunc3(A* paa){}
void TestRefAndValue()
{
       A a;
       // 以值作为函数参数
       size_t begin1 = clock();
       for (size_t i = 0; i < 10000; ++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 < 10000; ++i)
              TestFunc2(a);
       size_t end2 = clock();
       size_t begin3 = clock();
       for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
              TestFunc3(&a);
       size_t end3 = 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;
       cout << "TestFunc3(A*)-time:" << end3 - begin3 << endl;
}

在我的电脑下测试结果

顺带提一下引用和指针的区别：底层的角度，指针和引用是一样的，因为引用底层就是指针

 为啥传值会更慢？

传值调用会产生一个临时变量，也就是图中的方块，所以效率更低

 7.5、引用和指针的不同点:

1. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求

2. 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

3. 没有NULL引用，但有NULL指针

4. 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)

5. 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

6. 有多级指针，但是没有多级引用

7. 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

8. 引用比指针使用起来相对更安全

八、内联函数

8.1、内联函数的概念

        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，没有函数压栈的开销， 内联函数提升程序运行的效率。

8.2、内联函数的特性

        1. inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额开销。所以代码很长或者有循环/递归的函数不适宜 使用作为内联函数。

        2. inline对于编译器而言只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有循环/递归等 等，编译器优化时会忽略掉内联。

        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。

探究：为什么C++要写出内联函数？

用C语言实现一个加法的宏

#define ADD(x, y)((x) + (y))

 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 。

使用内联写一个加法函数

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

 内联函数的优点：

        inline: 1、debug版本下支持调试 2、不容易写错，就是普通函数的写法

所以内联函数是替换宏的一个好办法。

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总结

        本文写了约7000字，比较详细地向大家介绍了什么是C++以及C++发展历史， 还向大家讲述了C++关键字、命名空间等知识，希望大家在看完后能够有所收获，感谢大家的支持！