C++初阶 - 1.C++入门
目录
0.C++简介
1.C++关键字（C++98）
2.命名空间
2.1命名空间定义
1. 命名空间定义
2. 命名空间可以嵌套
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将命名空间中某个成员引入
3.使用using namespace 命名空间名称 引入
3.C++输入&输出
4.缺省参数（默认参数）
4.1 缺省参数概念
4.2 缺省参数分类
5.函数重载
5.1 函数重载概念
5.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰（name Mangling）
6.引用
6.1引用概念
6.2引用特性
6.3 常引用
6.4 使用场景
6.5 传值、传引用效率比较
6.5.1 值和引用作为函数参数的性能比较
6.5.2 值和引用作为返回值类型的性能比较
6.6 引用和指针的区别
7.内联函数
7.1 内联函数
7.2 特性
8.auto关键字（C++11）
8.1 类型别名思考
8.2auto简介
8.3 auto的使用细则
8.4 auto不能推导的场景
9.基于范围的for循环（C++11）
9.1 范围for的语法
9.2 范围for循环的使用条件
10. 指针空值nullptr（C++11）
10.1 C++98中的指针变量
0.C++简介
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。熟悉C语言之后，对C++学习有一定的帮助。
1.C++关键字（C++98）
C++总计63个关键字，C语言32个关键字。
2.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”(在文件中被定义) #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
namespace my_space
{
int rand = 10;
}
int main()
{
printf("%d\n", my_space::rand);
return 0;
} 
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。
1. 命名空间定义
namespace my_namespace //my_namespace 是命名空间的名字
{
// 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
// test.cpp
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。
ps：一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个
// test.h
namespace N1
{
int Mul(int left, int right)
{
return left * right;
}
}2.2命名空间的使用
namespace my_namespace
{
// 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;
}1.加命名空间名称及作用域限定符
int main()
{
printf("%d\n", my_namespace::a);
return 0;
}
2.使用using将命名空间中某个成员引入
using my_namespace::b;
int main()
{
printf("%d\n", my_namespace::a);
printf("%d\n", b);
return 0;
}
3.使用using namespace 命名空间名称 引入
using namespace my_namespace;
int main()
{
printf("%d\n", my_namespace::a);//加命名空间名称及作用域限定符；
printf("%d\n", b);//使用 using 将命名空间中某个成员引入；
printf("%d\n", Add(10, 20));//使用 using namespace 命名空间名称引入
return 0;
}
3.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;
} 说明：
- 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
头文件以及按命名空间使用方法使用std。 - 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
头文件中。 - << 流插入运算符，>> 流提取运算符。
- 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。
- 实际上cout 和 cin 分别是ostream 和 istream 类型的对象，>> 和 << 也涉及运算符重载的知识；
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
std命名空间的使用惯例：
std是C++标准库的命名空间，如何开展std使用更合理呢？
- 在日常生活中，建议直接using namespace std 即可，这样就很方便
- 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，就存在命名冲突问题。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。
4.缺省参数（默认参数）
4.1 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缺省值。再调用该函数时，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。
4.2 缺省参数分类
- 全缺省参数
- 半缺省参数
注意：
- 半缺省参数必须从右往左依次来给，不能间隔着给。
- 缺省参数不能在函数声明和函数定义中同时出现。（缺省参数：函数声明中给，函数定义中不给）。
-
//a.h void Func(int a = 10); // a.cpp void Func(int a = 20) {} // 注意：如果函数声明与函数定义位置同时出现，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
-
- 缺省值必须是常量或者全局变量。
- C编译器不支持。
5.函数重载
5.1 函数重载概念
函数重载是一种特殊的情况，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 参数类型 或 类型顺序）不同，函数返回值不做要求，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。
- 参数类型不同
-
// 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; }
-
- 参数个数不同
-
void f() { cout << "f()" << endl; } void f(int a) { cout << "f(int a)" << endl; }
-
-
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; }
-
5.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰（name Mangling）
为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？
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。
- 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，当Test.cpp中调用了Stack.cpp的Func函数时，编译后链接前，Test.o的目标文件中没有Func的函数地址，因为Func函数是在Stack.cpp中定义的，所以Func的地址在Stack.o中。
- 所以链接阶段就是专门处理这种问题的，链接器看到Test.o调用了Func函数，但是没有Func函数的地址，就会到Stack.o的符号表中找到Func函数的地址，然后链接到一起。
- 那么在链接时，面对Add函数，链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。
- 由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下的g++的修饰规则简单易懂，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。
- 通过后面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】。
- 采用C语言编译器编译后的结果【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【在Linux下，采用g++编译完后，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下的名字修饰规则
对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的，此处不做细究。
- 采用C语言编译器编译后的结果【在Linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变】
-
通过这里就理解了C语言没办法支持重载，同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。
-
如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用编译器没办法区分返回值类型。
6.引用
6.1引用概念
引用不是新定义的一个变量，而是给已存在的变量去取一个别名，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一快内存空间。
比如：“李逵”，在家称为“铁牛”，江湖人称“黑旋风”。
类型& 引用变量名（对象名）= 引用实体；
注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的
6.2引用特性
- 引用在定义时必须初始化。
- 一个变量可以有多个引用
- 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
6.3 常引用
int main()
{
//不可以，引用过程中，权限不能放大
const int a = 0;
//int* b = a;;
//可以,c可以赋值给d,，没有放大权限，因为d的改变不影响c
const int c = 0;
int d = c;
//不可以，引用过程中，权限只可以平移或者缩小；
int x = 0;
int& y = x;
const int& z = x;
++x;
//++z;
const int& m = 10;
double dd = 1.11;
int ii = dd;
const int& rii = dd;
return 0;
}6.4 使用场景
1.做参数
- 输出型参数
- 减少拷贝提高效率（大对象/深拷贝类对象）
void Swap(int& left, int& right)
{
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}2.做返回值
- 修改返回值+获取返回值
- 减少拷贝提高效率（大对象/深拷贝类对象）
int& Count(int n)
{
static int n = 0;
n++;
//...
return n;
}
总结：1.基本任何场景都可以用引用返回。
2.谨慎用引用做返回值，出了函数作用域，对象不在了，就不能用引用返回，还在就可以用引用返回。
特殊的：
int& Add(int a, int b)
{
int c = a + b;
return c;
}
int main()
{
int& ret = Add(1,2);
Add(3, 4);
cout << "Add(1,2) is :" << ret << endl;
return 0;
}
特殊的：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在（还没还给操作系统），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。
6.5 传值、传引用效率比较
6.5.1 值和引用作为函数参数的性能比较
以值作为参数或者返回值类型，在传参和传值之间，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，尤其是参数或者反回值类型较大时，效率就更低。
#include
struct A {
int a[10000];
};
void TestFunc1(A a)
{}
void TestFunc2(A& a)
{}
void TestRefAndValue()
{
A a;
size_t begin1 = clock();
for (size_t i = 0; i < 100000; 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 < 100000; 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;
}
int main()
{
TestRefAndValue();
return 0;
} 
6.5.2 值和引用作为返回值类型的性能比较
#include
struct A {
int a[10000];
};
A a;
A TestFunc1()
{
return a;
}
A& TestFunc2()
{
return a;
}
void TestRefAndValue()
{
//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();
//以引用作为函数参数
size_t begin2 = clock();
for (size_t i = 0; i < 100000; i++)
TestFunc2();
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;
}
int main()
{
TestRefAndValue();
return 0;
} 
通过上面发现，传值和传引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。
6.6 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快空间。
int main()
{
int a = 10;
//语法层面：不开辟空间，是对a取别名
int& ra = a;
ra = 20;
//语法层面：开空间，存储a的地址
int* pa = &a;
*pa = 30;
//引用和其引用实体共用的是同一片空间
cout << "&a = " << &a << endl;
cout << "&ra = " << &ra << endl;
//变量和其对应的指针变量是两个不同的空间
cout << "&a = " << &a << endl;
cout << "&pa = " << &pa << endl;
return 0;
}
在底层实现上实际上是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。
引用和指针的不同点：
- 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址；
- 引用在定义上必须初始化，指针没有要求；
- 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；
- 没有NULL引用，只有NULL指针；
- 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）；
- 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；
- 有多级指针，但是没有多级引用；
- 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；
- 引用比指针使用起来更加安全；
7.内联函数
7.1 内联函数
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。
与宏函数有着类似的作用：
#define ADD(x,y) ((x)+(y))
//宏函数
//优点：不需要建立栈帧，提高调用效率
//缺点：复杂，容易出错、可读性差、不能调试
inline int Add(int x,int y)
{
return (x+y)*10;
}
//内敛函数
//适用于短小的频繁调用的函数，inline 对于编译器仅仅只是一个建议，最终是否称为inline，编译器自己决定
//像类似函数就加了inline,也会被否定掉
//1.比较长的函数
//2.递归函数
如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。
查看方式：
- 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在 call Add
- 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开（因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2013d的设置方式）
7.2 特性
- inline 是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当作内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
- 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、频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
- 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。内联函数直接定义在头文件中。
// F.h #includeusing 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
【面试题】：
宏的优缺点？
- 优点
- 增强代码的复用性
- 提高性能
- 缺点
- 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
- 导致代码的可读性差，可维护性差，容易误用
- 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
- 短小函数定义，换用内联函数
8.auto关键字（C++11）
8.1 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：
- 类型难于拼写
- 含义不明确导致容易出错
#include
#include std::map
#include
#include 使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有时会遇到新的难题：
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。
8.2auto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，但遗憾的是一直没人去使用它。
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时期推到而得。
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;
}
【注意】
使用auto定义变量时必须对其初始化，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。
8.3 auto的使用细则
- 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; } -
在同一行定义多个变量 ，当在同一行定义多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器会报错，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 }
8.4 auto不能推导的场景
- 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) {} -
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表达式进行配和使用。
9.基于范围的for循环（C++11）
9.1 范围for的语法
在C++98中入股要遍历一个数组，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。因此在C++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，可以使用continue 来结束本次循环，也可以使用break来跳出整个循环。
9.2 范围for循环的使用条件
- 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endj就是for循环迭代的范围。注意：以下的for循环就有问题，因为for循环的范围不确定，
void TestFor(int array[]) { for(auto& e : array) cout<< e < -
迭代的对象要实现++和==的操作。
10. 指针空值nullptr（C++11）
10.1 C++98中的指针变量
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，负责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，我们都是按照如下方式队七进行初始化：
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*）常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免地会遇到一些麻烦，比如：
#include
using namespace std;
void f(int)
{
cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int* ptr)
{
cout << "f(int*)" << endl;
}
int main()
{
f(0);
f(NULL);
f(nullptr);
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既可以是一个整型数字，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：
- 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。
- 在C++11中，sizeof(nullptr) 与sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
- 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。