C++ · 入门 · 01 | 准备知识

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前言

• 为了更好地入门C++，本文有必要摆上一桌宴前小菜开开胃！
• C++是在C的基础之上，容纳进去了面向对象编程思想，并增加了许多有用的库，以及编程范式等。
• 本章节主要目标：
  • 补充C语言语法的不足，以及C++是如何对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
  • 为后续类和对象学习打基础
• 本文涉及的知识点有：
  1. C++关键字
  2. 命名空间
  3. C++输入&输出
  4. auto关键字(C++11)
  5. 基于范围的for循环(C++11)
  6. 指针空值—nullptr(C++11)

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一、C++关键字(C++98)

• C++总计63个关键字，C语言32个关键字
  

二、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
• 我们来看看具体是什么样的问题，如下代码：

#include 
#include 
int rand = 10;//变量rand与库函数rand()冲突了

int main()
{
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

• 可以发现，C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决

2.1 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

1. 正常的命名空间定义

namespace bobo
{
    // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    int rand = 10;
    int Add(int left, int right)
    {
        return left + right;
    }
    struct Node
    {
        struct Node* next;
        int val;
    };
}

2. 命名空间可以嵌套

namespace N1
{
    int a;
    int b;
    int Add(int left, int right)
    {
        return left + right;
    }
    namespace N2
    {
        int c;
        int d;
        int Sub(int left, int right)
        {
            return left - right;
        }
    }
}

3. 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

2.2 命名空间使用

• 命名空间中成员该如何使用呢？比如：

namespace bobo
{
    // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    int a = 0;
    int b = 1;
    int Add(int left, int right)
    {
        return left + right;
    }
    struct Node
    {
        struct Node* next;
        int val;
    };
}
int main()
{
    // 编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
    printf("%d\n", a);
    return 0;
}

结果：

• 命名空间的使用有三种方式：

1. 加命名空间名称及作用域限定符

int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
    return 0;    
}

2. 使用using将命名空间中某个成员引入

using N::b;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;    
}

3. 使用using namespace 命名空间名称引入

using namespce N;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

三、C++输入&输出

• 我们来看看：

#include
// 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;
}

• 说明：

  1. 使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。
  2. 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
  3. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符
  4. 使用C++输入输出更方便，不需要像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

• 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)中还支格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用

#include 
using namespace std;
 
int main()
{
   int a;
   double b;
   char c;
     
   // 可以自动识别变量的类型
   cin>>a;
   cin>>b>>c;
     
   cout<<a<<endl;
   cout<<b<<"  "<<c<<endl;
   return 0;
}

• std命名空间的使用惯例：
  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

四、auto关键字(C++11)

4.1 类型别名思考

• 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

#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，但是该类型太长了，特别容
易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名，比如：

#include 
#include 
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;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：

typedef char* pstring;
int main()
{
    const pstring p1;    // 编译成功还是失败？
    const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？
    return 0;
}

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，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非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义

4.2 auto简介

• 在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？
• 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();
	auto e;
 
	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;
}

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

4.3 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;

    return 0;
}

输出结果：

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

void TestAuto()
{
    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
}

4.4 auto不能推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

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

3. 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
4. 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

五、基于范围的for循环(C++11)

5.1 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

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for (auto& e : array)
        e *= 2;

    for (auto e : array)
        cout << e << " ";

    return 0;
}

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

5.2 范围for的使用条件

• 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： 以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])
{
    for (auto& e : array)
        cout << e << endl;
}

六、指针空值nullptr(C++11)

6.1 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;
}

• 程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖
• 在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0

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

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