第一章：C++入门——改进C语言编译器

系列文章目录

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前言

C++包含C语言，在C语言语法基础上有许多新的语法（改进了编译器）

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C++关键字（C++98)

asm	do	if	return	try	continue
auto	double	inline	short	typedef	for
bool	dynamic_cast	int	signed	typeid	public
break	else	long	sizeof	typename	throw
case	enum	mutable	static	union	wchar_t
catch	explicit	namespace	static_cast	unsigned	default
char	export	new	struct	using	friend
class	extern	operator	switch	virtual	register
const	false	private	template	void	true
const_cast	float	protected	this	volatile	while
delete	goto	reinterpret_cast

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。

#include 
#include 
int rand = 10;
// 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
int main()
{
	printf("%d\n", rand);
	return 0;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

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。

#include 
using namespace std;
namespace A
{
    int a = 100;
    namespace B            //嵌套一个命名空间B
    {
        int a =20;
    }
}

int a = 200;//定义一个全局变量


int main(int argc, char *argv[])
{
    cout <<"A::a ="<< A::a << endl;
    cout <<"A::B::a ="<<A::B::a << endl;
    cout <<"a ="<<a << endl;
    cout <<"::a ="<<::a << endl;

    int a = 30;
    cout <<"a ="<<a << endl;
    cout <<"::a ="<<::a << endl;

    return 0;
}

//结果
A::a =100  
A::B::a =20
a =200      //全局变量a
::a =200
a =30       //局部变量a
::a =200 

命名空间中可以定义变量/函数/类型

命令空间可以嵌套。

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。

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。局部域、全局域、命名空间域。

命名空间的三种使用方式

加命名空间名称及作用域限定符

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

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;
}

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;
}

C++输入&输出

#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;
}

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。

5. 实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识.

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。

std命名空间使用惯例：

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 Func(int a = 0)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	Func(); // 没有传参时，使用参数的默认值
	Func(10); // 传参时，使用指定的实参
	return 0;
}

//结果
0
10

缺省参数分类

全缺省参数

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

半缺省参数

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

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

//a.h
void Func(int a = 10);

// a.cpp
void Func(int a = 20)
{}

// 注意：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。

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）

函数重载

自然语言中，一个词可以有多重含义，人们可以通过上下文来判断该词真实的含义，即该词被重载了。

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 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。

#include
using namespace std;
// 1、参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
	cout << "int Add(int left, int right)" << endl;
	return left + right;
}
double Add(double left, double right)
{
	cout << "double Add(double left, double right)" << endl;
	return left + right;
}
// 2、参数个数不同
void f()
{
	cout << "f()" << endl;
}
void f(int a)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}
// 3、参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
{
	cout << "f(int a,char b)" << endl;
}
void f(char b, int a)
{
	cout << "f(char b, int a)" << endl;
}
int main()
{
	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.2);
	f();
	f(10);
	f(10, 'a');
	f('a', 10);
	return 0;
}

函数调用是在编译时就确定好了的，所以重载不会影响运行速度。

C++支持函数重载的原理–名字修饰(name Mangling)

编译器如何识别函数重载？

C语言是直接用函数名来跳转调用函数，C++是修饰函数名来调转调用函数。

采用C语言编译器编译后结果

结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

采用C++编译器编译后结果

结论：在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息添加到修改后的名字中。

Windows下名字修饰规则

引用

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

void TestRef()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;//<====定义引用类型
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &ra);
}

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（所以指针与引用共存）

void TestRef()
{
	int a = 10;
	// int& ra; // 该条语句编译时会出错
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);
}

常引用

指针和引用，赋值/初始化，权限可以缩小，但是不能发大

void TestConstRef()
{
	const int a = 10;
	//int& ra = a; // 该语句编译时会出错，a为常量
	const int& ra = a;
  
    const int* p1 = NULL;
    //int* p2 = p1;//该语句编译时会出错，p1为指向不可变量的指针
  
	// 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;
}

int Count()
{
	int c = 0;
	return c;
}

int main()
{
	const int& ret = Count();
    //int& ret = Count();// 该语句编译时会出错，Count()为常量
    //产生临时变量，相当于返回相当于一个常量，所以要用常引用
	return 0;
}

int main()
{

	int i = 0;
    //double& rd = i;// 该语句编译时会出错，类型不同
	const double& rd = i;
    //类型转换会产生临时变量
	return 0;
}

临时变量具有常性（常量）。

使用场景

做参数

void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
//形参影响实参

做返回值

int& Count()
{
	static int n = 0;
	n++;
	// ...
	return n;
    //返回的是变量n，要求该变量不是建立在该栈帧内
}

//传引用返回 vs 传值返回
//不用寄存器存储返回值了

#define N 10
typedef struct Array
{
	int a[N];
	int size;
}AY;

int& PostAy(AY& ay, int i)
{
	assert(i < N);
	return ay.a[i];
}

int main()
{
	AY p;
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		PostAy(p, i) = i * 10;
        //返回的是变量a[i]，所以可以进行赋值
	}

	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		cout << p.a[i] << " ";
	}

	cout << endl;
}
//调用者可以修改返回对象

int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);
    //引用临时变量，xiang'dang'yu给临时变量起别名，因为栈帧销毁了但空间还在
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

//语法上可以的，但结果是未定义的，因为空间已经还给了系统了

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，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。比如静态、全局、局部（上一层栈帧）、堆等等

int& Add(int a, int b, int& c)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
//这样栈帧结束了，返回对象还在，则可以使用引用返回

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。

值和引用作为参数的性能比较

#include 
struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}
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();
	// 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;
}

值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include 
struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }
void TestReturnByRefOrValue()
{
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1();
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2();
	size_t end2 = clock();
	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

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;
}

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。

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

看下引用和指针的汇编代码对比：

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

C++推荐

const和enum替代宏常量

inline去替代宏函数

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，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

宏的缺点

1. 不能调试

2. 没有类型安全的检查

3. 有些场景下非常复杂

特性

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

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。

// 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 __cdeclf(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

内联函数直接在头文件中定义

相关面试题

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 。
C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义 换用const/enum
2. 短小函数定义 换用内联函数

auto关键字（c++11）

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

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;
}

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;
}

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;
	*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。

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
}

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 };
}

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

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。

基于范围的for循环(C++11)

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 };
    //自动依次取数组中数据赋值给e对象，自动判断结束
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";
}

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。

范围for的使用条件

1. 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。

void TestFor(int array[])
{//注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定
	for (auto& e : array)
		cout << e << endl;
}

1. 迭代的对象要实现++和==的操作。

指针空值nullptr(C++11)

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;
}

//结果
f(int)
f(int)
f(int*)

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

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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总结

C++有许多对于C语言新增了语法即对C语言编译器进行了升级。
为了生活中努力发挥自己的作用，热爱人生吧。 —— 罗丹